□ 武光磊

“超材料”是21世紀(jì)以來(lái)出現(xiàn)的一類(lèi)新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來(lái)自特殊的人工微結(jié)構(gòu)。廣義來(lái)說(shuō)，超材料主要包括“左手材料”、光子晶體和超磁性材料等。超材料以其特殊的微結(jié)構(gòu)可能成為發(fā)掘材料新功能、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)新方向、突破稀缺資源瓶頸等的有力手段，從而成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。正如德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院馬丁·魏格納教授所說(shuō)：“‘超材料’這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個(gè)領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學(xué)領(lǐng)域引起轟動(dòng)，接著長(zhǎng)驅(qū)直入，進(jìn)入包括熱力學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，最近又開(kāi)始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。”

北京理工大學(xué)宇航學(xué)院力學(xué)系教授朱睿把超材料作為主攻對(duì)象，已在該領(lǐng)域奮戰(zhàn)10年有余。十幾年的探索，朱睿在超材料的研究中取得了開(kāi)創(chuàng)性的成就。而他并沒(méi)有止步，仍在力學(xué)超材料領(lǐng)域不斷探索。

讓“隱身斗篷”成為現(xiàn)實(shí)

在喬安妮·凱瑟琳·羅琳所著的《哈利波特》系列小說(shuō)中，有一件神奇的道具“隱身斗篷”，它常被哈利拿來(lái)干一些諸如從霍格沃茨魔法學(xué)校里偷跑出來(lái)的事。這被“哈迷”們羨慕不已。然而，不止在科幻小說(shuō)中存在“隱身斗篷”，現(xiàn)實(shí)中科學(xué)家們也一直在研究它。美國(guó)普渡大學(xué)的科研人員就以愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論為理論基礎(chǔ)，用納米技術(shù)與材料對(duì)“隱身斗篷”進(jìn)行了研制。但是，以此研制出來(lái)的“隱身斗篷”或多或少都存在技術(shù)“短板”，使“隱身斗篷”未能完全現(xiàn)身現(xiàn)實(shí)生活。一直研究超材料的朱睿向記者說(shuō)到，截至目前，科學(xué)家在“隱身斗篷”研制上取得的最大成果是美國(guó)伯克利大學(xué)的一個(gè)研究小組在2015年制作的一片“金羊毛”。但要真正對(duì)彈性波實(shí)現(xiàn)諸如“隱身斗篷”般的新奇操控，還要尋找性能更優(yōu)越的材料。

21世紀(jì)，能夠改變?nèi)魏涡问讲ǖ膫鞑ヂ窂降某牧蠙M空出世，這為完全實(shí)現(xiàn)“隱身斗篷”提供了可能。超材料最初用于調(diào)制電磁波。由于其具有負(fù)有效參數(shù)特性（如負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)介電常數(shù)等），超材料可表現(xiàn)一些新奇現(xiàn)象，如負(fù)折射率、反常多普勒效應(yīng)、左手現(xiàn)象等。由于電磁波在光子晶體中傳播與彈性波（如聲波）在聲子晶體中傳播有相似之處，因而彈性波超材料在聲學(xué)等領(lǐng)域受到極大關(guān)注。

朱睿

朱睿就一直致力于聲學(xué)與彈性波超材料的設(shè)計(jì)，并把相關(guān)研究擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)與振動(dòng)、噪聲控制等方面。2008年，朱睿從北京理工大學(xué)固體力學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士畢業(yè)后，進(jìn)入美國(guó)阿肯色大學(xué)小石城分校機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)攻讀博士學(xué)位，之后留在美國(guó)工作，直到2017年被引進(jìn)回國(guó)。在美國(guó)近10年的歲月里，朱睿在彈性波超材料控制領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作。博士及博士后期間，他就設(shè)計(jì)并制備了由單一金屬材料構(gòu)成的具有等效負(fù)密度與負(fù)彈性模量的超材料，這首次從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了彈性波在亞波長(zhǎng)超材料中的負(fù)折射，從而掌握了復(fù)雜彈性波控制的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)成為了開(kāi)啟彈性波超分辨率透鏡和彈性波“隱身斗篷”大門(mén)的關(guān)鍵鑰匙。朱睿把研究成果發(fā)表在期刊Nature Communications上，被多家國(guó)際知名科技網(wǎng)站如ScienceDaily報(bào)道。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家一直滿懷熱情地探索如何用材料來(lái)操控波。朱睿深迷其中。回國(guó)后的朱睿繼續(xù)展開(kāi)彈性波超材料的研究。在最近的研究工作中，朱睿成功設(shè)計(jì)了能夠突破分辨率極限的彈性波Hyperlens。這對(duì)航空、車(chē)輛及橋梁建筑的無(wú)損檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。朱睿說(shuō)，相關(guān)的設(shè)計(jì)與仿真論文已經(jīng)被國(guó)際聲學(xué)頂級(jí)雜志JASA接收，現(xiàn)在他們正在展開(kāi)實(shí)驗(yàn)方面的突破性研究。

心有多大，舞臺(tái)就有多寬廣。在彈性波超材料的成就之下，朱睿又積極向振動(dòng)與噪聲控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域拓展。在振動(dòng)與噪聲控制領(lǐng)域，朱睿成功地設(shè)計(jì)了輕質(zhì)、高強(qiáng)度的超材料蜂窩梁，從而為工程結(jié)構(gòu)在低頻段的隔振與抗噪設(shè)計(jì)提供了新思路。這推進(jìn)了彈性波超材料在航空航天領(lǐng)域方面的實(shí)際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，朱睿又在微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引入了可由外部電路控制的壓電材料，并實(shí)驗(yàn)展示了超材料帶隙結(jié)構(gòu)的主動(dòng)可控性，成功地將電子與數(shù)字控制引入到彈性波超材料中，克服了超材料固有的窄帶局限，有效地拓展了超材料的工程適應(yīng)性與應(yīng)用前景。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，朱睿研究了頻率—波矢域里的時(shí)間反演鏡法及相控陣成像技術(shù)，這些成果極大地提高了航空航天結(jié)構(gòu)的探傷和成像速度，并為實(shí)時(shí)對(duì)飛行器進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了理論與算法支持。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域頂級(jí)的雜志Smart Materials and Structures上。此外，他還在不破壞現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入超材料，從而實(shí)現(xiàn)了彈性波平板聚焦。該項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)極大地提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中關(guān)鍵的信噪比，并已成為結(jié)合超材料和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的前沿課題。

超材料全球市場(chǎng)規(guī)模在2010—2020年間將以高達(dá)41%的年復(fù)合增長(zhǎng)率發(fā)展。隨著全球“工業(yè)4.0”進(jìn)程持續(xù)深化，“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大；高速列車(chē)、新型地面行進(jìn)裝備、航空航天、國(guó)防科技、地面智能機(jī)器人等領(lǐng)域千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群也正在崛起。在國(guó)外掌握了超材料核心研發(fā)技術(shù)的朱睿把這些“財(cái)富”帶回了祖國(guó)，用于祖國(guó)超材料的研究?，F(xiàn)在，他在北京理工大學(xué)進(jìn)行的研究，在國(guó)際超材料領(lǐng)域也是處于并跑甚至領(lǐng)跑的位置。而對(duì)他來(lái)說(shuō)，能不能把自己研究的超材料用起來(lái)，這才是他最關(guān)心的，他也將為實(shí)現(xiàn)超材料的應(yīng)用傾注更多努力。

對(duì)未來(lái)規(guī)劃的書(shū)寫(xiě)

在美國(guó)工作期間，朱睿作為核心高級(jí)研究人員參與并完成了包括美國(guó)空軍（AFSOR）、美國(guó)國(guó)家能源部（DOE）、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目的研發(fā)?？梢哉f(shuō)，美國(guó)彈性波超材料研究地位的建立，朱睿所貢獻(xiàn)的力量不可忽視。而他卻在2017年回到了北京理工大學(xué)。對(duì)于回國(guó)的原因，他說(shuō)到，祖國(guó)好像地球一般存在引力，無(wú)論你走多遠(yuǎn)，最終都會(huì)被吸引回來(lái)。

回到北京理工大學(xué)的朱睿順利、有序地展開(kāi)了科研工作。在采訪中，朱睿說(shuō)，他非常感謝北京理工大學(xué)對(duì)他工作的支持?！皩W(xué)校把科研工作所需的一切都給我安排妥當(dāng)，讓我無(wú)所顧慮，只需專(zhuān)注于研究?！?/p>

在學(xué)校全力的支持下，朱睿在如期展開(kāi)目前研究工作的同時(shí)，也對(duì)未來(lái)的工作進(jìn)行了規(guī)劃。在積極響應(yīng)國(guó)家“十三五”大力發(fā)展高端材料及加快大飛機(jī)研制的國(guó)家戰(zhàn)略下，朱睿希望利用在美國(guó)多所頂尖高校主導(dǎo)與參與超材料及航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中積累的科研經(jīng)驗(yàn)與掌握的核心技術(shù)，積極開(kāi)拓新的研究領(lǐng)域。

一直關(guān)注著國(guó)際上超材料以及航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的科研前沿，且在掌握了彈性波超材料及蘭姆波損傷成像這兩大核心技術(shù)下，朱睿還希望能以北京理工大學(xué)宇航學(xué)院為平臺(tái)在5年內(nèi)建立一個(gè)集最新聲波/彈性波超材料研究與先進(jìn)航空結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)用于一體的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。新型功能性聲波/彈性波超材料的研究、高性能超材料波控器件的開(kāi)發(fā)、高靈敏度高速高精度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，是他圍繞國(guó)家在關(guān)鍵材料以及航空航天等重要領(lǐng)域的需求準(zhǔn)備展開(kāi)的3個(gè)研究方向；同時(shí)，他還要建設(shè)一支既能腳踏實(shí)地、有效服務(wù)于國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，又具有廣闊國(guó)際視野的研究團(tuán)隊(duì)?！跋Ｍ谖遗c團(tuán)隊(duì)的努力下，能夠開(kāi)發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)度的新型功能性超材料、可調(diào)帶寬的超分辨率聲波/彈性波透鏡及新一代高靈敏度高速高精度航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與自適應(yīng)超材料，并把這些研究成果應(yīng)用于航空、車(chē)輛、建筑等行業(yè)，為國(guó)家、社會(huì)服務(wù)?！敝祛Ｕf(shuō)道。

世上無(wú)難事，只怕有心人。在攀登科研的途中，保持好奇心、專(zhuān)注力，具備恒心與耐心，一直是朱睿戰(zhàn)勝困難的“法寶”。這兩件“法寶”也讓他在困難中頻頻制勝。現(xiàn)在，在超材料領(lǐng)域突圍沖刺，對(duì)他來(lái)說(shuō)，沒(méi)有倦怠與困惑，有的只是風(fēng)景這邊獨(dú)好。