在材料科學(xué)領(lǐng)域，有一種特殊的合成材料，它可以在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)、超彈、超輕等多種性能，甚至可以自我修復(fù)。這種材料被稱為“超材料”，其革命性僅次于室溫超導(dǎo)，有可能導(dǎo)致多種金屬“下崗”，并開啟一個(gè)全新的科技時(shí)代。那么，這種超材料是如何制造出來的？它有哪些優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景？本文將為您介紹。

什么是超材料？

“超材料”一詞最初由美國德克薩斯州大學(xué)奧斯汀分校 Rodger M. Walser 教授提出，用來描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料1。超材料通過對(duì)材料關(guān)鍵物理尺寸上進(jìn)行有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其獲得常規(guī)材料不具備的超常物理性質(zhì)。例如，超材料可以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率、負(fù)折射指數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等反常現(xiàn)象，從而改變電磁波、聲波、熱波等波的傳播規(guī)律。

超材料涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域，如物理、化學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及裝備制造等，是全球最前沿、最具有戰(zhàn)略性意義的研究課題。被美國《科學(xué)》雜志列入本世紀(jì)前10年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一，同時(shí)《Materials Today》雜志也稱其為材料科學(xué)50年中的10項(xiàng)重要突破之一。

如何制造超材料？

超材料的制造工藝及其復(fù)雜，主要包括印刷電路板工藝、光刻工藝、掩膜印刷法、電子束刻蝕工藝等。其中，光刻工藝是將光敏高分子制成一定圖形的抗蝕性膜，再用化學(xué)或電化學(xué)方法進(jìn)行腐蝕或電鍍的加工工藝，目前已應(yīng)用于單層及多層太赫茲 (THz)頻域 (30μm-3mm)超材料的制造。電子束工藝是利用極小波長(zhǎng)的電子束在高加速電壓下對(duì)基片上的抗蝕劑 (PMMA、ZEP 等)進(jìn)行曝光，在抗蝕劑中產(chǎn)生具有不同溶解性能的區(qū)域，然后用顯影液進(jìn)行溶解，得到所需的圖案，再進(jìn)行金屬層或介質(zhì)層的沉積。由于采用極小波長(zhǎng)的電子束，這種工藝可以得到比標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝更小的納米尺度。

由于超材料基于精密的物理結(jié)構(gòu)和尺寸大小，具備獨(dú)特的功能價(jià)值和使用價(jià)值，因此發(fā)達(dá)國家的政府、學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對(duì)超材料技術(shù)的研發(fā)給予高度重視，制定了相關(guān)計(jì)劃，投入了大量人力和物力。目前，在超材料研究方面，美國、歐洲、日本、俄羅斯等國家處于領(lǐng)先地位，而中國也在近年來加大了投入和支持，取得了一些重要的進(jìn)展。

超材料有哪些優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景？

超材料的優(yōu)勢(shì)在于它可以突破自然界的限制，實(shí)現(xiàn)人們所期望的各種性能。例如，超材料可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性，即在無電阻的狀態(tài)下傳導(dǎo)電流，從而大幅度提高電能的利用效率和節(jié)約能源；超材料可以實(shí)現(xiàn)超彈性，即在受到外力作用后能夠完全恢復(fù)原狀，從而增強(qiáng)材料的耐久性和安全性；超材料可以實(shí)現(xiàn)超輕性，即在保持強(qiáng)度和剛度的同時(shí)降低質(zhì)量，從而減少材料的消耗和運(yùn)輸成本；超材料還可以實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)性，即在受到損傷后能夠自動(dòng)恢復(fù)功能，從而延長(zhǎng)材料的使用壽命。

超材料的應(yīng)用前景無比廣闊，涉及國防科技、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，具備一定的戰(zhàn)略價(jià)值。例如，在國防領(lǐng)域，超材料可以實(shí)現(xiàn)隱身技術(shù)，即使武器裝備對(duì)雷達(dá)、紅外、聲波等探測(cè)手段不可見或不可識(shí)別，從而提高作戰(zhàn)能力和生存能力；在工業(yè)領(lǐng)域，超材料可以實(shí)現(xiàn)完美透鏡技術(shù)，即使光線或其他波可以聚焦到遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的尺度，從而提高成像質(zhì)量和分辨率；在航空航天領(lǐng)域，超材料可以實(shí)現(xiàn)可變形機(jī)翼技術(shù)，即使飛行器可以根據(jù)空氣動(dòng)力自動(dòng)改變形狀，從而提高飛行效率和靈活性。

總之，超材料是一種具有多種性能的合成材料，它是通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)和制造而實(shí)現(xiàn)的。超材料具有突破自然界限制的優(yōu)勢(shì)，有可能導(dǎo)致多種金屬“下崗”，并開啟一個(gè)全新的科技時(shí)代。超材料的應(yīng)用前景廣闊，涉及國防、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，具備一定的戰(zhàn)略價(jià)值。目前，各國都在加大對(duì)超材料技術(shù)的研發(fā)投入和支持，力求占得先機(jī)。

超材料是一種具有多種性能的合成材料，它是通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)和制造而實(shí)現(xiàn)的。超材料具有突破自然界限制的優(yōu)勢(shì)，有可能導(dǎo)致多種金屬“下崗”，并開啟一個(gè)全新的科技時(shí)代。超材料的應(yīng)用前景廣闊，涉及國防、工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，具備一定的戰(zhàn)略價(jià)值。目前，各國都在加大對(duì)超材料技術(shù)的研發(fā)投入和支持，力求占得先機(jī)。

超材料的發(fā)現(xiàn)給社會(huì)帶來了以下幾方面的影響：

· 超材料可以實(shí)現(xiàn)隱身技術(shù)，即使武器裝備對(duì)雷達(dá)、紅外、聲波等探測(cè)手段不可見或不可識(shí)別，從而提高作戰(zhàn)能力和生存能力。這對(duì)國防安全和軍事競(jìng)爭(zhēng)具有重要意義，也可能引發(fā)新一輪的軍備競(jìng)賽和沖突風(fēng)險(xiǎn)。

· 超材料可以實(shí)現(xiàn)完美透鏡技術(shù)，即使光線或其他波可以聚焦到遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的尺度，從而提高成像質(zhì)量和分辨率 。這對(duì)信息技術(shù)、光電子學(xué)、微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的推動(dòng)作用，也可能帶來新的隱私和安全問題。

· 超材料可以實(shí)現(xiàn)可變形機(jī)翼技術(shù)，即使飛行器可以根據(jù)空氣動(dòng)力自動(dòng)改變形狀，從而提高飛行效率和靈活性。這對(duì)航空航天領(lǐng)域具有創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)，也可能改變未來的交通方式和環(huán)境影響。

· 超材料可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性、超彈性、超輕性、自我修復(fù)性等多種性能，從而大幅度提高電能的利用效率、節(jié)約能源、增強(qiáng)材料的耐久性和安全性、減少材料的消耗和運(yùn)輸成本、延長(zhǎng)材料的使用壽命等 。這對(duì)工業(yè)、新能源、環(huán)保等領(lǐng)域具有革命性的影響，也可能帶來新的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)問題。

當(dāng)然，這種材料是不是該公司說的那么神奇，究竟是不是靠譜，我們現(xiàn)在還不知道，畢竟才看到它的第一個(gè)應(yīng)用，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，或許不久的將來，我們就能知道了。