超材料(解读)详细数据收集
超材料的奇异性使其具有广泛的应用前景，从高接收天线到雷达反射器，甚至地震预警。
超材料是一门交叉学科，包括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学和纳米技术。
中文名:超材料mbth:超材料类别:物理特性:具有超常物理性质的学科:材料学:材料学的定义，六种超材料，历史沿革，研究现状，国外发展，中国发展，发展前景，基本原理，主要特点，应用研究，专家意见，“超材料”的定义是指一些人工设计的结构，具有天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。“超材料”是20世纪以来出现的一种新材料，它具有天然材料所不具备的特殊性质，而这些性质主要来源于人工的特殊结构。超材料的设计思路新颖，这种思路的基础是通过各种物理结构的设计，突破一些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想表明，人们可以在不违反物理学基本定律的情况下，人工获得与自然界完全不同的具有非凡物理性质的“新物质”，将功能材料的设计和开发带入一个全新的世界。典型的超材料有左手材料、光子晶体、超磁性材料和金属水。六种超材料1、自修复材料——仿生塑料美国伊利诺伊大学的斯科特·怀特(Scott White)开发了一种具有自修复能力的仿生塑料。这种聚合物嵌入了由液体组成的“血管系统”。当它被损坏时，液体可以像血液一样渗出和凝结。与其他只能修复微小裂缝的材料相比，这种仿生塑料可以修复宽达4毫米的裂缝。2.热电材料一家名为Alphabet Energy的公司开发了一种热电发电机，可以直接插入普通发电机的排气管，将余热转化为可用的电能。这种发电机使用的是一种相对廉价且天然的热电材料，叫做tetrahedrite，据说可以达到5-10%的能效。科学家们已经在研究一种能效更高的热电材料，称为skutterudite，一种含钴的矿物。目前热电材料已经小规模应用——比如在航天器上——但方钴矿具有成本低、能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰柜或任何机器的排气管。3.钙钛矿除了晶体硅，钙钛矿还可以作为太阳能电池的替代材料。2009年，钙钛矿制成的太阳能电池太阳能转换率为3.8%。到2014年，这个数字已经增加到19.3%。与传统晶体硅电池相比，能效提高20%以上。科学家认为，这种材料的性能仍有可能提高。钙钛矿是一种由特定晶体结构限定的材料。它们可以包含任意数量的元素。一般来说，铅和锡用于太阳能电池。与晶体硅相比，这些原料便宜得多，无需在洁净室中仔细组装，就可以喷涂在玻璃上。4.气凝胶气凝胶可以由许多物质制成，包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。气凝胶是一种极好的绝缘体，因为空气占了大部分比例。它的结构也赋予了它超高的强度和韧性。美国国家航空航天局的科学家们一直在试验一种由聚合物制成的柔性气凝胶，作为航天器穿越大气层的绝缘材料。5.甾烯-导电率为100%的材料和石墨烯一样，甾烯也是由单原子层构成的材料。但由于使用了锡原子而不是碳原子，它具有石墨烯无法达到的特性:100%的电导率。斯坦福大学的张首晟教授于2013首次提出了甾烷烯的理论。预测甾烯等材料的电子性质是张教授实验室擅长的领域之一。根据他们的模型，甾烯是拓扑绝缘体，即其边缘是导体，内部是绝缘体。这样，Stanene可以在室温下零电阻导电。6.光操纵材料光操纵超材料的纳米结构可以以特定的方式散射光，它可能真的使物体隐形。根据制造方法和材料的不同，超材料还可以散射微波、无线电波和不太为人所知的T射线。事实上，任何电磁频谱都可以被超材料控制。在1968的历史演化过程中，前苏联理论物理学家Veselago提出了这个问题，并从理论上预言了上述“反常”现象。只是因为没有实验验证，而且是在功能材料发展的早期，所以人们对Fislag的发现没有给予足够的重视。美国《科学》杂志将其列为本世纪前10年的10项重要科学进展之一，引发了新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微加工技术等领域的重大变革。* * *，发达国家学术界和产业界都非常重视超材料技术的研发，制定了相关计划，投入了大量的人力物力。美国国防部已经启动了一项关于超材料的研究项目，英特尔、AMD、IBM等美国最大的六家半导体公司也成立了联合基金来支持这项研究。美国国防部甚至将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。欧盟已经组织了50多位相关领域的顶尖科学家专注于该领域的研究，并给予他们高额的资金支持。在经济低迷时期，日本推出了一项研究计划，支持至少两个超材料技术的研究项目，每个项目约30亿日元。国外的研究现状在全世界科学家的实验室里，出现了许多新奇的发明。美国科学家做出了一种反弹陶瓷管，与传统的脆硬陶瓷相比，压缩50%后可以恢复。这种陶瓷将在“普通材料无能为力的地方”发挥巨大作用，比如航天飞机或喷气发动机的隔热设备。2006年，来自北卡罗莱纳州杜克大学和伦敦帝国理工学院的研究人员通过使用超材料使物体在微波辐射下隐形，成功挑战了传统概念。尽管仍有许多困难需要克服，但我们在历史上第一次拥有了让普通物体隐形的方案(五角大楼国防高级研究计划局(DARPA)资助了这项研究)。在德国，科学家们使用了一种称为“直接激光光刻”的技术来制作一种由微小塑料棒制成的隐形材料片。当隐形材料片覆盖在物体上时，在红外摄像机的观察下，隐形材料改变覆盖物周围的光速，使覆盖物和被覆盖的物体一起消失。包括美国国防高级研究计划局在内的军事组织都在寻找这种隐藏技术，以使飞机在军用雷达的探测范围内隐形。法国科学家发现，通过在超材料墙壁和地面上精确打孔，可以转移地震波，使地震和海啸偏离建筑物或城镇，达到减灾的目的。荷兰科学家已经制造出可机械编程的智能橡胶。通过小开关的控制和特殊的设计，这种智能橡胶可以像超大海绵一样变硬或变软，甚至可以在挤压下在这两个阶段快速变形。在这种材料的帮助下，人们很快就能穿上通过感应地面硬度来自动调节的鞋子。与许多国家相对分散的发展模式相比，中国在超材料领域的发展模式更加集中和强大。中国在863计划、973计划、国家自然科学基金和新材料重大专项中支持超材料的研究。在电磁黑洞、超材料隐身技术、电介质超材料、声波负折射等基础研究方面，中国企业取得了多项原创性成果，在国际超材料产业化竞争中处于领先地位。在美国留学并在《科学》杂志上发表了新型超材料宽带隐身衣论文的刘若鹏无疑是其中的代表之一。2010年，以刘若鹏博士为首的五名海外留学生团队回国创办了深圳光启。经过几年的发展，公司在全球范围内申请了2800多项专利，约占相关领域专利申请总数的86%。该公司在创建基于超材料、无线互联、航空航天和其他领域的智能社区方面也处于世界前列。比如，它是全球首条超材料微结构精密测试线，设备定制度高达70%，工艺精度高达2微米。他们还设计了超材料生产的标准化流程。以设计的电磁超材料天线为例，利用一块可以折叠到笔记本大小、印有“江南水乡风景”的电路板，飞机、火车、轮船、汽车可以在移动网络无法到达的偏远地方连接卫星宽带上网。无论卫星在天空中的哪个位置，天线都可以跟踪，不需要像传统的碟形天线那样一直盯着一个方向的卫星。美国同类产品的商业销售计划今年才开始，光启早在三年前就在中国22个省份安装试用。这只是近年来中美在超材料核心领域的激烈竞争之一。此外，为了打破欧美超材料技术标准的垄断，上个月，全国电磁超材料技术与产品标准化技术委员会审核并提交了国家标准《电磁超材料术语》。这意味着我国在世界范围内率先制定超材料领域的国家标准，将对我国超材料技术的研究和标准转化发挥重要作用。发展前景由一家研究公司预测。超材料的全球市场规模在2065，438+00到2020年将以465，438+0%的年复合增长率发展。可以预见，随着全球“工业4.0”进程的不断深入和“智能+”应用领域的不断拓展，一个千亿规模的超材料产业集群正在崛起，可以带动高速列车、新型地面行进设备、航空航天、国防科技、地面智能机器人等领域。利用超材料技术驾驭电磁波构建未来世界，正成为全球科技创新的又一焦点。根据广义相对论，时间和空间都可以“弯曲”，空间中的光也可以弯曲，前提是“设备”设计得足够小，做得足够小。近年来，科学家遵循Fislag的理论，依靠一些间距只有千分之几的1 mm的人工结构，组装出材料的单元结构(人工原子和人工分子)，通过不同的组合结构和排列，设计制造出各种超材料，从而实现了弯曲光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波的梦想。由特殊波导捕获的不同波长的光形成的彩虹超材料的应用与原来的材料制备有很大不同。以前自然界有什么材料就有什么材料，但超材料完全是逆向设计，根据电磁波的具体应用需求制造出相应功能的材料。主要特征超材料有三个重要特征:(1)超材料通常是人工结构新颖的复合材料；(2)超材料具有非凡的物理性质(往往是天然材料所没有的)；(3)3)超材料的性质往往主要不是由组成材料的本征性质决定的，而是由人工结构决定的。应用研究目前，基于这些实验结果的产品转化步伐也在加快。超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通信天线、无人机雷达、声隐身技术等产品的开发利用成为各国竞争的焦点。专家观点“超材料”的概念已经逐渐渗透到很多领域。这项技术起初在电磁学领域引起轰动，随后直奔包括热力学在内的多个领域，最近开始在力学领域掀起轩然大波。(德国卡尔斯鲁厄理工学院马丁·魏格纳教授)超材料对航空航天、国防和民用科技的推动，表明新材料将成为科学研究中一个非常重要的切入点和方向，给许多领域带来冲击和影响，产生新的产业，意义深远。(中国工程院院士段宝岩)超材料的设计思路和方法很可能成为探索材料新功能、引领产业新方向、提高材料综合性能、突破资源稀缺瓶颈的有力手段。应进一步明确国家层面大力发展超材料技术的必要性，凝练发展重点，选择合理的技术路线，制定符合超材料技术发展趋势、适应我国国情的超材料技术发展战略。(中国颜刚科技集团有限公司副总工程师周少雄)