吳 勤

顛覆未來作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之超材料

吳 勤

超材料是通過在材料關(guān)鍵物理尺寸上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術(shù)。超材料是一個具有重要軍事應(yīng)用價值和廣泛應(yīng)用前景的前沿技術(shù)領(lǐng)域，將對未來武器裝備發(fā)展和作戰(zhàn)產(chǎn)生革命性影響。

新型材料顛覆傳統(tǒng)理論

盡管超材料的概念出現(xiàn)在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克托·韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關(guān)系將不再遵循作為經(jīng)典電磁學(xué)基礎(chǔ)的“右手定則”，而呈現(xiàn)出與之相反的“負(fù)折射率關(guān)系”。這種物質(zhì)將顛覆光學(xué)世界，使光波看起來如同倒流一般，并且在許多方面表現(xiàn)出有違常理的行為，例如光的負(fù)折射、“逆行光波”、反常多普勒效應(yīng)等。這種設(shè)想在當(dāng)時一經(jīng)提出，就被科學(xué)界認(rèn)為是“天方夜譚”。

隨著傳統(tǒng)材料設(shè)計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設(shè)計新思路，成為新材料研發(fā)的重要任務(wù)。2000年，首個關(guān)于負(fù)折射率材料的報告問世；2001年，美國加州大學(xué)圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的超材料；2002年，美國麻省理工學(xué)院研究人員從理論上證實了負(fù)折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范圍內(nèi)取得了多項研究成果，被美國《科學(xué)》雜志評為當(dāng)年全球十項重大科技進(jìn)展之一。此后，超材料研究在世界范圍內(nèi)取得了多項成果，維克托·韋謝拉戈的眾多預(yù)測都得到了實驗驗證。

現(xiàn)有的超材料主要包括：負(fù)折射率材料、光子晶體、超磁材料、頻率選擇表面等。與常規(guī)材料相比，超材料主要有3個特征：一是具有新奇人工結(jié)構(gòu)；二是具有超常規(guī)的物理性質(zhì)；三是采用逆向設(shè)計思路，能“按需定制”。

負(fù)折射率材料具有介電常數(shù)與磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的電磁特性，電磁波在該介質(zhì)中傳播時，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度與傳播矢量三者遵循負(fù)折射率螺旋定則，因此存在負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射和理想透鏡等多種奇特物理現(xiàn)象。負(fù)折射率材料的實現(xiàn)使人類具備了自由調(diào)控電磁波的能力，這對未來的新一代通信、光電子/微電子以及隱身、探測、強(qiáng)磁場、太陽能和微波能利用等技術(shù)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

光子晶體是指具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，是一種介電常數(shù)周期性分布的電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以阻止某一種頻率的光波在其中的傳播。由于光子晶體具有固有的頻率選擇特性，被認(rèn)為是未來的半導(dǎo)體，對光電子、光通信、微諧振腔、集成光路、紅外/雷達(dá)隱身等領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生重大影響。

“電磁黑洞”是一種采用電磁超材料制造的人工黑洞，能夠全向捕捉電磁波，引導(dǎo)電磁波螺旋式行進(jìn)，直至被黑洞吸收，使基于引力場的黑洞很難在實驗室里模擬和驗證的難題迎刃而解。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，不僅將為太陽能利用技術(shù)增加新的途徑，產(chǎn)生全新的光熱太陽能電池，還能應(yīng)用于紅外熱成像技術(shù)，大幅度提高紅外信號探測能力。

頻率選擇表面是由大量無源諧振單元組成的單屏或多屏周期性陣列結(jié)構(gòu)，由周期性排列的金屬貼片單元或在金屬屏上周期性排列的孔徑單元構(gòu)成。其可對不同頻段的入射電磁波進(jìn)行有選擇性的發(fā)射或傳輸，已被廣泛應(yīng)用于微波天線和雷達(dá)罩的設(shè)計中，也可用于反射面天線的負(fù)反射器，以實現(xiàn)頻率復(fù)用 ，提高天線的利用率 。

部分超材料示例

巨大價值引發(fā)全球關(guān)注

超材料研究的重大科學(xué)價值及其在諸多應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出的革命性應(yīng)用前景，使其得到了美國、歐洲、俄羅斯、日本等國政府，以及波音、雷神等機(jī)構(gòu)的強(qiáng)力關(guān)注，現(xiàn)在已是國際上最熱門、最受矚目的前沿高技術(shù)之一。2010年，美國《科學(xué)》雜志將超材料列為21世紀(jì)前10年自然科學(xué)領(lǐng)域的10項重大突破之一。當(dāng)前，國外的研究領(lǐng)域己涉及超材料基本原理和特性、超材料實驗驗證、超材料設(shè)計、超材料加工制造和超材料的應(yīng)用。

美國國防部長辦公室把超材料列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，美國國防部專門啟動了關(guān)于超材料的研究計劃；美國空軍科學(xué)研究辦公室把超材料列入“十大關(guān)鍵領(lǐng)域”；美國最大的6家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學(xué)家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟(jì)低迷之際出臺了一項研究計劃，至少支持兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項目，每個項目約為30億日元（約合1.5億人民幣），同時將超材料列為下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。

在多個項目的支持下，超材料技術(shù)取得了一系列新進(jìn)展。例如，美國能源部勞倫斯·伯克利國家實驗室與加利福尼亞大學(xué)合作完成了負(fù)折射率材料太赫茲頻率特性的研究探索；美國加利福尼亞大學(xué)完成了利用負(fù)折射率材料精確控制光線速度和方向的研究；美國普渡大學(xué)和諾?？酥萘⒋髮W(xué)合作完成了負(fù)折射率材料對光線吸收的研究；2013年以來，美國陸軍和普渡大學(xué)研究了在特定的電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身材料；美國勞倫斯·伯克利國家實驗室的研究團(tuán)隊制造出了全球首個非線性零折射率超材料，通過這種材料的光在各個方向都會得到增強(qiáng)；2014年，法國國家科學(xué)研究中心和法國波爾高等化學(xué)物理學(xué)院的研究人員通過結(jié)合物理化學(xué)組成和微流體技術(shù)，研發(fā)出了第一個三維超材料。

在超材料應(yīng)用方面，有關(guān)國家和機(jī)構(gòu)近年來啟動了多項研究計劃。如DARPA實施的負(fù)折射率材料研究計劃；美國杜克大學(xué)開展的高增益天線超材料透鏡研究，以及可升級和可重構(gòu)的超材料研究等。此外，還有近百家美國企業(yè)獲得小企業(yè)創(chuàng)新計劃和企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移資助計劃資助，對超材料技術(shù)進(jìn)行了大量研究和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。目前，超材料領(lǐng)域已初步形成的產(chǎn)品包括超材料智能蒙皮、雷達(dá)天線、吸波材料、電子對抗雷達(dá)、通信天線、無人機(jī)載雷達(dá)等。

使用超材料的隱身衣

杜克大學(xué)和帝國學(xué)院聯(lián)合設(shè)計的聲學(xué)隱身裝置

神奇功能改變未來作戰(zhàn)

超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景。近年來，超材料在隱身、電子對抗、雷達(dá)等領(lǐng)域的應(yīng)用成果不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。

隱身是近年來出鏡率最高的超材料應(yīng)用，也是迄今為止超材料技術(shù)研究最為集中的方向，如美國的F-35戰(zhàn)斗機(jī)與DDG1000大型驅(qū)逐艦均應(yīng)用了超材料隱身技術(shù)。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應(yīng)用潛力，在各類飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛應(yīng)用，使軍事隱身技術(shù)發(fā)生革命性變革。超材料實現(xiàn)隱身與傳統(tǒng)隱身技術(shù)的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術(shù)上實現(xiàn)真正意義上的隱身。

在電磁隱身方面，2006年，美國杜克大學(xué)與英國帝國學(xué)院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設(shè)計方案，這種設(shè)計方案由10個同心圓筒組成，采用矩形開口環(huán)諧振器單元結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果證實負(fù)折射率材料用于物體的隱身是可行的。2012年，美國東北大學(xué)采用摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設(shè)計和試驗了可在33～44吉赫茲電磁波段實現(xiàn)可調(diào)的負(fù)折射率材料。美國雷神公司開發(fā)了“透波率可控人工復(fù)合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微結(jié)構(gòu)頻率選擇表面，通過控制加載在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數(shù)，從而實現(xiàn)材料透波特性的人工控制，可應(yīng)用于各種先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)和下一代隱身戰(zhàn)機(jī)的智能隱身蒙皮。

在光學(xué)隱身方面，2012年，加拿大超隱形生物公司發(fā)明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發(fā)生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機(jī)、艦艇和坦克上應(yīng)用。2014年，美國佛羅里達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊研制出一種可實現(xiàn)可見光隱身的超材料，實現(xiàn)這一技術(shù)突破的關(guān)鍵是利用納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)制造出一種多層三維超材料。納米轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現(xiàn)隱身。

在聲隱身方面，2011年，美國杜克大學(xué)卡默爾教授的團(tuán)隊開發(fā)出一種二維聲學(xué)斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測到。2014年3月，杜克大學(xué)制造出世界上首個三維聲學(xué)斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑?，不反射也不透射，實現(xiàn)對探測聲波的隱身。三維聲學(xué)斗篷由一些具有重復(fù)排列小孔的塑料板組成，能在3千赫茲的聲波下表現(xiàn)出完美的隱身效果，驗證了聲學(xué)斗篷應(yīng)用于主動聲吶對抗的可行性。此外，美海軍自主開發(fā)一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術(shù)，制造一種六角形晶胞結(jié)構(gòu)的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內(nèi)，實現(xiàn)對聲波引導(dǎo)，達(dá)到隱身目的。聲隱身超材料技術(shù)的發(fā)展將對潛艇等水下裝備的隱身產(chǎn)生變革性影響，有可能改變未來水下戰(zhàn)場的“游戲”規(guī)則。

除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員利用機(jī)械超材料制成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術(shù)，可以欺騙人體和探測設(shè)備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設(shè)計的次微米精度的晶體結(jié)構(gòu)。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機(jī)械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術(shù)雖然還在純粹的基礎(chǔ)物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應(yīng)用開辟一條新路。

天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應(yīng)用到導(dǎo)彈、雷達(dá)、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強(qiáng)天線的聚焦性和方向性。

天線方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化GPS天線，通過精確的人工微結(jié)構(gòu)設(shè)計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應(yīng)用于對天線尺寸要求苛刻的飛機(jī)平臺與個人便攜式戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航終端。2011年2月，洛克希德·馬丁公司與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一種新型電磁超材料，可用于在喇叭形衛(wèi)星天線上，使產(chǎn)品體積更小，制造成本更低，并能夠顯著提高航天器天線的性能。2014年，英國BAE系統(tǒng)公司開發(fā)出一種可用于無人機(jī)通信的超材料平面天線，可使電磁波在透過平面天線后進(jìn)行聚焦，在實現(xiàn)對電磁波聚焦的同時保留了平面天線的寬帶性能，克服了傳統(tǒng)拋物面天線變?yōu)槠矫嫣炀€所帶來的帶寬損失、低增益等問題，同時可實現(xiàn)一個天線替換多個天線，減少天線的數(shù)量。這一技術(shù)突破可能使飛機(jī)、艦艇、衛(wèi)星等天線的設(shè)計產(chǎn)生劃時代的變革。

雷達(dá)天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發(fā)出雷達(dá)罩用超材料智能結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于美軍新一代的E2“鷹眼”預(yù)警機(jī)，大幅提高了其雷達(dá)探測能力。通過采用超材料的特殊設(shè)計，該項目提供了解決傳統(tǒng)雷達(dá)罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，方便后期的改裝和維護(hù)，極大提高了E2“鷹眼”預(yù)警機(jī)的整體性能。

導(dǎo)彈天線罩方面，美國雷神公司研制了基于超材料的導(dǎo)彈天線罩，可以使穿過導(dǎo)彈天線罩的電磁波不產(chǎn)生有效折射，有效提高導(dǎo)彈打擊精度。

用于制作光學(xué)透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應(yīng)用于微量污染物質(zhì)探測、醫(yī)學(xué)診斷成像、單分子探測等領(lǐng)域；高定向性透鏡主要應(yīng)用于透鏡天線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領(lǐng)域；高分辨能力的平板型光學(xué)透鏡主要應(yīng)用于集成電路的光學(xué)引導(dǎo)原件等領(lǐng)域。2012年，美國密西根大學(xué)完成一種新型超材料透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100納米的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內(nèi)工作性能良好。

超材料將圓柱體隱匿起來，使其無法被手指感覺到

結(jié) 語

超材料的重要意義不僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學(xué)基本規(guī)律的前提下，獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”?！耙淮牧希淮b備”，創(chuàng)新材料的誕生及發(fā)展必將會催生出新的武器裝備與作戰(zhàn)樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級材料”能否成為下一個新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。

責(zé)任編輯：葛 妍