國防科普加油站（5）數(shù)字超材料：賦予材料超級功能

生活中，那些具有超強本領和功夫的人，被人們稱之為“超人”；具有超強計算與處理能力的計算機稱為“超算”；超過音速被稱“高超聲速”。

在五花八門的材料世界里，也有一種物理性質(zhì)“超常”的特殊材料，叫做“超材料”，它是本世紀才出現(xiàn)的一種具有特殊性質(zhì)的人造材料。這種材料在自然界并不存在，是通過對某種材料的再加工，并在其表面或體內(nèi)設計出的特殊幾何結構或排列方式，使它擁有天然材料所不具備的特殊性質(zhì)。所以，超材料的性質(zhì)源自它的結構，而天然材料的性質(zhì)由其成分來決定。

超材料具有神奇的特性，隨著科技的進步，如今比它更神奇的“同胞兄弟”又誕生了，即在超材料基礎上發(fā)展而來的“數(shù)字超材料”，或者叫數(shù)碼編程設計的超材料。它是一種通過特定設計、打破傳統(tǒng)規(guī)則結構、擁有奇異光學及聲學等特性的超材料。有了它，“時光倒流”“動態(tài)隱身”“超級透鏡”這些天方夜譚似的神話，將更快地走進現(xiàn)實，改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

“反?！痹O問，催生新奇材料

原本自然界中不存在的超材料，是如何“無中生有”孕育出來的呢？俗話說，不怕做不到，就怕想不到。在科技領域，科學家在發(fā)明創(chuàng)造中則遵循著“大膽假設，小心求證”的思路和原則，超材料的發(fā)現(xiàn)正是這樣。

1968年，蘇聯(lián)理論物理學家菲斯拉格發(fā)現(xiàn)，光束由空氣中斜射進入水中，入射光與折射光位居法線兩側(cè)。于是，他突發(fā)奇想：是否還有另一種介質(zhì)，與上述現(xiàn)象相反，能讓入射光與折射光位居法線同側(cè)呢？

菲斯拉格的這個“反?！币蓡?，并非異想天開。從理論上講，人們只需找到一種同時具有負介電常數(shù)和負磁導率材料，就能出現(xiàn)這一“反?！蔽锢憩F(xiàn)象。只是當時沒有開展實驗驗證，加之功能材料尚處于發(fā)展初期，菲斯拉格的這個大膽的科學猜想并未引起重視。

理論上的“負折射率”液體

幸運的是，隨著人們對電磁理論的深入理解和微納加工工藝的快速發(fā)展，一種在微納尺度上擁有周期結構的人造器件誕生了。它不僅在實驗上實現(xiàn)了負介電常數(shù)、負磁導率等一切理論預言，更是讓人們深刻地理解到：通過在多種物理結構上的設計，人們可以突破自然規(guī)律的限制，獲得超常功能的“新物質(zhì)”，即具有奇異功能的超材料。

超材料是材料設計思想上的一個跨越式重大創(chuàng)新，被譽為本世紀前10年的10項重要科學進展之一，已成為發(fā)掘材料新功能、引領產(chǎn)業(yè)新方向、突破稀缺資源瓶頸的有力手段。

創(chuàng)新永無止境。超材料方興未艾之時，數(shù)字超材料又應運而生。2014年，我國東南大學研究團隊提出了數(shù)字、電磁可編程的“數(shù)字”超材料概念。它與擁有周期排布結構的超材料不同，它由若干種單元按照編碼的方式排布，就好比給平凡無奇的材料注入“基因”，可由人們進行調(diào)控，而這些新型材料將會忠實地聽從“指示”，實現(xiàn)所需的各種奇異功能。

超級“另類”，自然與眾不同

“數(shù)字超材料”的出現(xiàn)，實際上是現(xiàn)代信息工業(yè)與前沿物理領域相互結合的產(chǎn)物，它將“編碼思維”融入進了新型超材料的設計過程中。在數(shù)字超材料中，不同的編碼會帶來不同的電磁響應，加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念，數(shù)字超材料這個材料領域的超級“另類”，其性質(zhì)與功能也與眾不同，且獨樹一幟：

結構新奇，顛覆認知。數(shù)字超材料結構十分“另類”，它既不同于天然材料依靠原子或分子結構實現(xiàn)功能，又不同于傳統(tǒng)超材料擁有規(guī)則的人工單元結構，而是完全采用數(shù)字編碼的方式，憑借微納加工技術注入的“材料基因”，而擁有超常物理性質(zhì)和“超能力”，其新奇異結構完全顛覆了人們對物質(zhì)構成的認知。目前，科學家們已經(jīng)研制出具備自我修復能力的仿生塑料，以及將熱電轉(zhuǎn)化為可用電力的熱電材料等“黑科技”。

逆向設計，按需定制。數(shù)字超材料采用數(shù)字編碼的方式設計，擁有十分廣闊的設計自由度，可根據(jù)不同應用需求，實現(xiàn)“按需定制”。而基于“數(shù)字”的可編碼特性，又能突破傳統(tǒng)材料“正向求解”的設計方法，即根據(jù)各種約束條件，“從后向前”進行“逆向設計”，從而有效解決傳統(tǒng)設計存在的限制和缺點。國防科技大學文理學院研究團隊基于逆向設計和遺傳算法等技術手段，設計出了一種聚焦型波長分束器，可應用于大容量光通信模塊、片上量子通信等領域。

基于數(shù)字超材料的波長分束器

數(shù)字編碼，實時可控。與傳統(tǒng)的超材料相比，數(shù)字超材料的每個人工單元，可將其簡化為“0”和“1”兩種狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)“0”和“1”兩種單元的排列和組合構造不同性質(zhì)的組合單元，進而組裝成整個材料，實現(xiàn)特定的功能。用“數(shù)字化”方式表征超材料物理特性極大簡化了超材料的設計流程，提高了材料設計的靈活度，擴大了對材料性質(zhì)的調(diào)控范圍。若將可編程門陣列控制系統(tǒng)加載在結構單元上，還可以實現(xiàn)對數(shù)字超材料物理功能的實時控制。

推廣應用，助推轉(zhuǎn)型升級

超材料特別是數(shù)字超材料，是國際上重點關注的戰(zhàn)略前沿技術，它對新一代信息技術、國防工業(yè)、新能源技術等領域帶來了深刻變革，主要發(fā)達國家將其列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，紛紛開展研發(fā)與應用。我國也對此高度重視，列入國家863、自然科學基金和新材料重大專項予以支持，清華大學、浙江大學、國防科技大學、東南大學、中科院成都光電所等國內(nèi)高校和科研院所在這方面已取得了一批原創(chuàng)成果。

隨著高性能計算和微納加工工藝的快速發(fā)展，數(shù)字超材料所展現(xiàn)的超常物理特性將帶動航空航天、新型裝備制造、人工智能等眾多領域突破性發(fā)展，應用范圍將拓展到國民經(jīng)濟和國防建設各個方面。在軍事領域，數(shù)字超材料更是顯示出廣闊應用前景。如超材料天線可實現(xiàn)對電磁波調(diào)整接收和自動校準功能，拓展天線工作帶寬、降低能耗，有效增強天線的聚焦性和方向性，從而提高移動通信容量和高速通信能力，提升軍隊信息化作戰(zhàn)水平；利用數(shù)字電磁超材料對電磁波的實時調(diào)控能力，能實現(xiàn)等戰(zhàn)機、艦艇等武器裝備的全天候、多氣候條件下的電磁隱身、熱隱身、光隱身和聲隱身，增強其生存、突防能力；運用數(shù)字超材料制作的傳感器具有探測靈敏度高、戰(zhàn)場適應性強、柔軟性好等的優(yōu)勢，將其用于下一代智能探測裝置，可以使武器裝備擁有更加感應靈敏的“器官”和“皮膚”，優(yōu)化并升級作戰(zhàn)性能。

此外，數(shù)字超材料還在智能穿戴、偵查、高性能全光計算等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景，為促進武器裝備和部隊訓練的轉(zhuǎn)型升級提供技術支撐。（作者：王握文、朱晰然、毛元昊 來源：國防科技大學）