第44卷 第7期 材料工程 Vol.44 No.7 2016年7月第119-128页 Journal of Materials Engineering Jul.2016pp.119-128 智能超材料研究与进展 特约 Research Advance in Smart Metamaterials 于相龙，周济 (清华大学材料学院新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室，北京100084) YU Xiang-long.ZHOU Ji (State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing.School of Materials science eand Engineering.Tsinghua University.Beijing 100084.China) 摘要：本文以智能超材料关健技术为主线，基础研究和新产品研发为辅，简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋 势。根据智能超材料所调控激元的不同，可分为智能电磁超材料，智能机城超材料，智能热学超材料，智能帮合超材料 此外两项关健技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程，这些智能超材料在科学基础研 究方面涉及超材料中多物理场祸合机制，新型人工原子与人工分子设计，超材料与自然材料的脸合，超材料可调性探索 和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域，如微型天线及无 线互联，光电磁隐身，医学图像上用的完美成像，航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮，精密仪器制程与片上实验室集成 型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势，本文进行了系统性的分类厘清，并分析了其研究现状，给出 了我国智能超材料发展的美好愿景。 关键词：超材料：光学超材料：机械超材料：热学超材料：智能锅合超材料 doi:10.11868/5j.ism.1001-4381.2016.07.020 中图分类号：TB34:TB图81文献标识码：A文章编号：1001-4381(2016)07-0119-10 Abstract:Metamaterials,man-made materials,enable us to design our own"atoms",and thereby to create materials with unprecedented effective properties that have not yet been found in nature.Smart metamaterial is one of those that is an intelligent perceptive to the changes from external environments and having the capability to respond to thermal and mechanical stimuli.This paper car providea review on these smart met in perspectiv e of science,engineering and industrial products.We divide smart metamaterials according to what they are tuning into:optical,mechanical thermal and coupled smart metamaterials.The rest of two techniques we addressed are modelling/ simulation and fabrication/gene engineering.All of these types smart materials presented here are as sociated with at least five fundamental research:coupled mechanism of multi-physics fields,man-made upledwithaturalmaierials,umnbiyofmeanaterials and mechanism of sensing metamaterials.Therefore.we give a systematic overview of various potem tial smart metamaterials together with the upcoming challenges in the intriguing and promising re search field. Key words:metamaterial:optical metamaterial:mechanical metamaterial:thermal metamaterial smart coupled metamateria 智能材料泛指能够感知外界环境并做出响应的 其源于光学超材料，到声学、热学及力学超材料。之 材料。智能超材料除具备这一特性外，与传统功能材 初，人们希塑能够像控制固体中电了的传输行为一样 料不同之处在于，通过特殊的微结构设计来调制电硒 来控制和利用光子，使得光子最终能成为一种有用的 被和弹性被，展示出均匀材料所不具备的，新颗奇异的 信息载体。光作为信息载体在传播速率、信息容量以 力、热、声、光学性能，尤其是这此性质主要来自人工 及能量损耗等方面优越于电子，极有可能在信息技术 的、特殊的结构设计。就像新生儿来到这个世界上，从 和产业发展中起重要作用，因而如何实现对光子的调 第一眼看见，亲耳听见，亲手去触摸这个世界，直到心 控变得尤为重要与紧迫，光学超材料应运而生，图1简 灵的感知体悟，人工智能超材料也经历了相似的演进 略演示光学超材料一些新奇的电磁现象，随着对光学 1994-2018 China Aeademic Joumal Electronic Publishing House. All rights reserved http://www.cnki.ne
第４４卷 ２０１６年７月 第７期 第１１９－１２８页 材 料 工 程 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．４４ Ｊｕｌ．２０１６ Ｎｏ．７ ｐｐ．１１９－１２８ 檼檼檼檼 檼 檼檼檼 殥 殥 殥 殥 智能超材料研究与进展 特 约 ＲｅｓｅａｒｃｈＡｄｖａｎｃｅｉｎＳｍａｒｔＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ 于相龙，周 济 （清华大学 材料学院 新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室，北京 １０００８４） ＹＵ Ｘｉａｎｇ－ｌｏｎｇ，ＺＨＯＵＪｉ （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｅｗＣｅｒａｍｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌｏｆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ） 摘要：本文以智能超材料关键技术为主线，基础研究和新产品研发为辅，简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋 势。根据智能超材料所调控激元的不同，可分为智能电磁超材料，智能机械超材料，智能热学超材料，智能耦合超材料， 此外两项关键技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程。这些智能超材料在科学基础研 究方面涉及超材料中多物理场耦合机制，新型人工原子与人工分子设计，超材料与自然材料的融合，超材料可调性探索 和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域，如微型天线及无 线互联，光电磁隐身，医学图像上用的完美成像，航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮，精密仪器制程与片上实验室集成 型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势，本文进行了系统性的分类厘清，并分析了其研究现状，给 出 了我国智能超材料发展的美好愿景。 关键词：超材料；光学超材料；机械超材料；热学超材料；智能耦合超材料 ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４３８１．２０１６．０７．０２０ 中图分类号：ＴＢ３４；ＴＢ３８１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－４３８１（２０１６）０７－０１１９－１０ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｍａｎ－ｍａｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｎａｂｌｅｕｓｔｏｄｅｓｉｇｎｏｕｒｏｗｎ “ａｔｏｍｓ”，ａｎｄｔｈｅｒｅｂｙｔｏ ｃｒｅａｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｕｎｐｒｅｃｅｄｅｎｔｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｔｈａｖｅｎｏｔｙｅｔｂｅｅｎｆｏｕｎｄｉｎｎａｔｕｒｅ．Ｓｍａｒｔ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｉｓｏｎｅｏｆｔｈｏｓｅｔｈａｔｉｓａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｅｒｃｅｐｔｉｖｅｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ａｎｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｈａｖｉｎｇｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｔｏｒｅｓｐｏｎｄｔｏｔｈｅｒｍａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｍｕｌｉ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｖｉｅｗｏｎｔｈｅｓｅｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｗｅｄｉｖｉｄｅｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｗｈａｔｔｈｅｙａｒｅｔｕｎｉｎｇｉｎｔｏ：ｏｐｔｉｃａｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ， ｔｈｅｒｍａｌａｎｄｃｏｕｐｌｅｄｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｒｅｓｔｏｆｔｗｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｅａｄｄｒｅｓｓｅｄａｒｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇ／ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ／ｇｅｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｌｌｏｆｔｈｅｓｅｔｙｐｅｓｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｅｒｅａｒｅａｓ－ ｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈａｔｌｅａｓｔｆｉｖｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ：ｃｏｕｐｌｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｕｌｔｉ－ｐｈｙｓｉｃｓｆｉｅｌｄｓ，ｍａｎ－ｍａｄｅ ｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｔｏｍ／ｍｏｌｅｃｕｌａｒ，ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ， ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｅｎｓｉｎｇｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅｇｉｖｅａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｖａｒｉｏｕｓｐｏｔｅｎ－ ｔｉａｌｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｕｐｃｏｍｉｎｇｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｔｈｅｉｎｔｒｉｇｕｉｎｇａｎｄｐｒｏｍｉｓｉｎｇｒｅ－ ｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｔｈｅｒｍａｌ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ； ｓｍａｒｔｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ 智能材料泛指能够感知外界环境并做出响应的 材料。智能超材料除具备这一特性外，与传统功能材 料不同之处在于，通过特殊的微结构设计来调制电磁 波和弹性波，展示出均匀材料所不具备的，新颖奇异的 力、热、声、光学 性 能，尤其是这些性质主要来自人工 的、特殊的结构设计。就像新生儿来到这个世界上，从 第一眼看见，亲耳听见，亲手去触摸这个世界，直到心 灵的感知体悟，人工智能超材料也经历了相似的演进， 其源于光学 超 材 料，到 声 学、热 学 及 力 学 超 材 料。之 初，人们希望能够像控制固体中电子的传输行为一样 来控制和利用光子，使得光子最终能成为一种有用的 信息载体。光作为信息载体在传播速率、信息容量以 及能量损耗等方面优越于电子，极有可能在信息技术 和产业发展中起重要作用，因而如何实现对光子的调 控变得尤为重要与紧迫，光学超材料应运而生，图１简 略演示光学超材料一些新奇的电磁现象。随着对光学
120 材料工程 2016年7月 Zha al Nat Mater (2008 Electromagnetic cloaking ar-nerfect imanine Valentine et alNature(200 Negative refractive index Optical attractors 图1光学超材料呈现自然界不营出现的负折射，超透镜、光学隐身的奇异特性口-习 Fig.1 Optical metamaterials show some counterintuitive properties,negative refractive index.superlens and optical cloaking- 超材料研究的深入，超材料也被拓展到对声和其他 表1给出了本文在智能超材料基础研究、关键技 元激发的调控领域，如弹性波方面的声学超材料，机 术和新产品应用三个层面上所要论述的要点。在科学 械超材料和热学超材料等其他具有奇异特性的智能 研究层面上智能超材料的基础研究涉及：(1)超材料中 超材料。结合传统的凝聚态物质材料科学与各种新 多物理场辐合机制，即利用微结构单元间的多物理场 刑微纳米加技术，面向下一代信息与新能技术 耦合效应去实现超材科的智能响应：(2)新型人工原了 超材料正成为当今微结构材料科学中新学科的 与人工分子设计，即通过构透新型功能单元实现超常 沿。 响应：(3)超材料与自然材料的融合，即利用天然功能 鉴于超材料具有高度的可设计性，为发展各类新 材料的智能性质与超几何结构融合，以实现超常现象 型智能材料提供了理想的材料平台。目前发展出的超 的探索和设计以及新机制的发现：(4)超材料可调性探 材料主要是一些被动型材料，如具有超常介电常数 导率，折射率的材料等，而在智能材料方面的应用尚行 索，即基于可变电路、几何结构、材料特性，对随加信号 相位，振幅或频率的调制，改变超 财料的热、力学和电 开发。尽管如此，智能超材料所涉及的内容依然很 磁性质：(5)新型传感型超材料探素，即基于超材料对 ,是一大类新型功能材料的总称，包括一此光学招材 电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性， 料、声学超材料（与弹性振动被相应，用于操纵和利用 可用于无标记的生物检测及相关方面的研发，根据微 声子传播)、力学超材料（吸声介质，超黏滞材料），热学 结构单元类型和应用范围的不同，智能超材料的关键 超材料（调控热能的传输与转换）、声子品体（超高精度 技术可分为以下六大重点方向：(1)智能电磁 超材 控制单个声子，进面对动态温差调控)等。故而，本文 利用微结构单元类似于计算机的0/1开关属性，进行 尝试若从科学研究、关键技术和新产品应用三个层而！ 非周期阵列，以实现编程可控的响应输出：(2)智能机 对智能超材料研究应用进行简要概述和厘清，并概略 根超材料，三维网状金属固体结构，却类似于理想流 述其在国内外的研究发展状况和趋势 体，极易流动，从而实现二维流体的响应性能：(3)智能 表】智能超材料在科学，技术和新产品应用层面的论述要点 Table 1 An outline of smart metamaterials from the aspeetsof science.technology and products Coupled mechani of mut-phyfields Smart optical metamateriala Micro antena and wireles internet Design for m Metamaterials coupedithnaurameri Perfect imaging in medical science Coupled s anism ot sensing me 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
材料工程 ２０１６年７月 图１ 光学超材料呈现自然界不曾出现的负折射、超透镜、光学隐身的奇异特性［１－９］ Ｆｉｇ．１ Ｏｐｔｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｓｈｏｗｓｏｍｅｃｏｕｎｔｅｒｉｎｔｕｉｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：ｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ，ｓｕｐｅｒｌｅｎｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｃｌｏａｋｉｎｇ［１－９］ 超材料研究 的 深 入，超 材 料 也 被 拓 展 到 对 声 和 其 他 元激发的调控领域，如 弹 性 波 方 面 的 声 学 超 材 料，机 械超材料和热学超材料等其他具有奇异特性的智能 超材料。结合传统的 凝 聚 态 物 质 材 料 科 学 与 各 种 新 型微纳米加工技术，面向下一代信息与新能源技术， 超材料正成为当今微结构材料科学中新学科的前 沿。 鉴于超材料具有高度的可设计性，为发展各类新 型智能材料提供了理想的材料平台。目前发展出的超 材料主要是一些被动型材料，如具有超常介电常数、磁 导率、折射率的材料等，而在智能材料方面的应用尚待 开发。尽管如此，智能超材料所涉及的内容依然很广 泛，是一大类新型功能材料的总称，包括一些光学超材 料、声学超材料（与弹性振动波相应，用于操纵和利用 声子传播）、力学超材料（吸声介质，超黏滞材料）、热学 超材料（调控热能的传输与转换）、声子晶体（超高精度 控制单个声子，进而对动态温差调控）等。故而，本文 尝试着从科学研究、关键技术和新产品应用三个层面， 对智能超材料研究应用进行简要概述和厘清，并概略 阐述其在国内外的研究发展状况和趋势。 表１给出了本文在智能超材料基础研究、关键技 术和新产品应用三个层面上所要论述的要点。在科学 研究层面上智能超材料的基础研究涉及：（１）超材料中 多物理场耦合机制，即利用微结构单元间的多物理场 耦合效应去实现超材料的智能响应；（２）新型人工原子 与人工分子设计，即通过构造新型功能单元实现超常 响应；（３）超材料与自然材料的融合，即利用天然功能 材料的智能性质与超几何结构融合，以实现超常现象 的探索和设计以及新机制的发现；（４）超材料可调性探 索，即基于可变电路、几何结构、材料特性，对施加信号 相位、振幅或频率的调制，改变超材料的热、力学和电 磁性质；（５）新型传感型超材料探索，即基于超材料对 电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性， 可用于无标记的生物检测及相关方面的研发。根据微 结构单元类型和应用范围的不同，智能超材料的关键 技术可分为以下六大重点方向：（１）智能电磁超材料， 利用微结构单元类似于计算机的０／１开关属性，进行 非周期阵列，以实现编程可控的响应输出；（２）智能机 械超材料，三维网状金属固体结构，却 类 似 于 理 想 流 体，极易流动，从而实现二维流体的响应性能；（３）智能 表１ 智能超材料在科学，技术和新产品应用层面的论述要点 Ｔａｂｌｅ１ Ａｎｏｕｔｌｉｎｅｏｆｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｎｏ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ １ Ｃｏｕｐｌｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｕｌｔｉ－ｐｈｙｓｉｃｓｆｉｅｌｄｓ Ｓｍａｒｔｏｐｔｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｍｉｃｒｏａｎｔｅｎｎａａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｉｎｔｅｒｎｅｔ ２ Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｅｔａ－ａｔｏｍ／ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｍａｒｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｌｏａｋ ３ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｍａｒｔｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｅｒｆｅｃｔｉｍａｇｉｎｇｉｎｍｅｄｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅ ４ Ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｕｐｌｅｄｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｍａｒｔｓｋｉｎ ５ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｅｎｓｉｎｇｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌａｂｏｎａｃｈｉｐ ６ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｇｅｎｅ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２１０
第44卷第7期 智能超材料研究与进展 121 热学超材料，可感知外部热源、主动响应的人工复合材 计与仿真技术，制备技术与材料基因工程。鉴于智能 料及结构，潜在应用于微纳米结枸的热电转换：(4)容 超材料的新颖特性，可广泛应用于微型天线及无线互 能耦合超材料，基于光子电路，通过亚波长尺度人工结 联、光电磁隐身、医学完美成像、国防民用各种交通工 构实现局域电磁场调控与位移矢量调控；(5)智能超材 具的智能蒙皮、其他精密仪器制备和片上实验室等不 料新型设计与仿点技术：(6)智能超材料制备技术与材 同前沿领域。 料基因工得。最后，在新产思研发应用中，可分为1) 11智能由琳超材料 微型天线及无线互联(2)光电磁隐身：(3)医学图像 智能的电磁 :调控又包括数字可编程超材 用的完美成像：(4)航空航天和交通车辆所用的智能蒙 料]、计算超材料、光开关超材料。这类智能 皮：（⑤）精密仪器制程与片上实验室集成型超材料。因 超材料利用其微结构单元类似于计算机的0/1开关 此，本文将以智能超材料的关键技术为主线，基础研究 属性，进行非周期阵列，以实现编程可控的响应输 和新产品研发为辅，简要地论述近年来智能超材料的 出，如图2所示。可记忆超材料则类似于忆阻器 发展现状趋势。 不同的是基于 花子电路，通过亚波长尺度人工结构 实现局域电磁场调控，以实现在光电路中可记忆功 1智能超材料研究概述 能元器件的研发。智能电磁超材料涉及电磁多物理 场摄合机制，可采用不同的谐振结构单元实现[)，图 1968年Veselago首次提出“负折射率”的概 3演示了常用作为“人工原子”的亚波长微结构共振 念)，具有这种负折射率性质的平板材料可以像透镜 一样，使得平行入射光线汇聚到一点)。这与直觉相 1.2智能机械超材料 悖的研究结果拉开了超材料研究的序幕、超材料正品 机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过 基于其微结构单元的几何结枸与物性，如共振与激发 程中，可以看做是弹性的激发初始的人工材料设计 形状因子与手性等，以及它们空间排列所导致的关联 按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料，可 与相互作用，从而实现许多自然材料所没有的，新颖的 调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀，拉胀超材料 力、热、声、光等调控功能特性。从研究比较深入的光 和智能超流体。其中智能超流体，工业技术上又称为 学申磁超材料，到声学、热学，及现在的机械超材料，超 “会屈水”，其本身是一种三维的几何拓扑网状金属固 材料理论机制方面涉及电磁、机电、光热 光机等多物 体结构，而其切模量近似于零，从而实现二维流体的 理场耦合，几何结构的实现方面多用金属谐振结构、介 响应性能。 最具代表性的五模式材料（如图4），该 质谐振结构、声波诺振和非谐振人工原子及分子，目 材料6个分量等效弹性张量中有5个为0的本征值 前科学基础研究主要考虑如何将现有超材料与自然材 (只有1个非0)，也就是横向几乎没有形变，类似于理 料相融合，实现超材料在不同频段的可调性，开发有源 想流体，难以压缩却极易流动。鉴于这种超材料极具潜 器件，从而不断深入地开发出新型的传感型超材料 力，科研人员将这一研究成果开发用于海底“无轴成”斗 相应地，超材料的微结构单元设计的任意性，物理过程 篷隐身技术四，如图5所示，也有研究者正在研制用于 的多样性，不同尺度的特殊性，派生出来了新型理论设 隐身的智能蒙皮材料。 、0 Fig.2 The I-bit digital m .03d1b)n natch unit structure《ine1 realize the·Ond1 ements and the c two l-bit periodie coding metasurfaces to control the scattering of beams by designing the coding sequepces ofo'and1'elements 1994-2018Chin Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
第４４卷 第７期 智能超材料研究与进展 热学超材料，可感知外部热源、主动响应的人工复合材 料及结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换；（４）智 能耦合超材料，基于光子电路，通过亚波长尺度人工结 构实现局域电磁场调控与位移矢量调控；（５）智能超材 料新型设计与仿真技术；（６）智能超材料制备技术与材 料基因工程。最后，在新产品研发应用中，可分为（１） 微型天线及无线互联；（２）光电磁隐身；（３）医学图像上 用的完美成像；（４）航空航天和交通车辆所用的智能蒙 皮；（５）精密仪器制程与片上实验室集成型超材料。因 此，本文将以智能超材料的关键技术为主线，基础研究 和新产品研发为辅，简要地论述近年来智能超材料的 发展现状趋势。 １ 智能超材料研究概述 １９６８ 年 Ｖｅｓｅｌａｇｏ 首 次 提 出 “负 折 射 率 ”的 概 念［１０］，具有这种负折射率性质的平板材料可以像透镜 一样，使得平行入射光线汇聚到一点［１１］。这与直觉相 悖的研究结果拉开了超材料研究的序幕。超材料正是 基于其微结构单元的几何结构与物性，如共振与激发、 形状因子与手性等，以及它们空间排列所导致的关联 与相互作用，从而实现许多自然材料所没有的，新颖的 力、热、声、光等调控功能特性。从研究比较深入的光 学电磁超材料，到声学、热学，及现在的机械超材料，超 材料理论机制方面涉及电磁、机电、光热、光机等多物 理场耦合，几何结构的实现方面多用金属谐振结构、介 质谐振结构、声波谐振和非谐振人工原子及分子。目 前科学基础研究主要考虑如何将现有超材料与自然材 料相融合，实现超材料在不同频段的可调性，开发有源 器件，从而不断深入地开发出新型的传感型超材料。 相应地，超材料的微结构单元设计的任意性，物理过程 的多样性，不同尺度的特殊性，派生出来了新型理论设 计与仿真技术、制备技术与材料基因工程。鉴于智能 超材料的新颖特性，可广泛应用于微型天线及无线互 联、光电磁隐身、医学完美成像、国防民用各种交通工 具的智能蒙皮、其他精密仪器制备和片上实验室等不 同前沿领域。 １．１ 智能电磁超材料 智能 的 电 磁 波 调 控 又 包 括 数 字 可 编 程 超 材 料［１２］、计算 超 材 料［１３］、光开 关 超 材 料［１４］。这 类 智 能 超材料利用其微结 构 单 元 类 似 于 计 算 机 的０／１开 关 属性，进 行 非 周 期 阵 列，以实现编程可控的响应输 出，如图２所示。可记忆超材料［１５］则类 似 于 忆 阻 器， 不同的是基 于 光 子 电 路，通过亚波长尺度人工结构 实现局域电 磁 场 调 控，以实现在光电路中可记忆功 能元器件的研发。智 能 电 磁 超 材 料 涉 及 电 磁 多 物 理 场耦合机制，可采用不同的谐振结构 单 元 实 现［１６］，图 ３演示了常 用 作 为“人 工 原 子”的 亚 波 长 微 结 构 共 振 单元。 １．２ 智能机械超材料 机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过 程中，可以看做是弹性的激发初始的人工材料设计。 按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料，可 调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀、拉胀超材料 和智能超流体。其中智能超流体，工业技术上又称为 “金属水”，其本身是一种三维的几何拓扑网状金属固 体结构，而其剪切模量近似于零，从而实现二维流体的 响应性能。最具代表性的五模式材料［１８］（如图４），该 材料６个 分 量 等 效 弹 性 张 量 中 有５个 为０的 本 征 值 （只有１个非０），也就是横向几乎没有形变，类似于理 想流体，难以压缩却极易流动。鉴于这种超材料极具潜 力，科研人员将这一研究成果开发用于海底“无触感”斗 篷隐身技术［１９］，如图５所示，也有研究者正在研制用于 隐身的智能蒙皮材料。 图２ 具有０／１开关属性的数字可编程超材料进行智能电磁波调控［１２］ （ａ）数字超平面０／１构成；（ｂ）结构单元及其响应；（ｃ），（ｄ）利用两种不同的结构形式去调控光束散射 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ１－ｂｉｔｄｉｇｉｔａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｏｄｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［１２］ （ａ）ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓ：‘０’ａｎｄ‘１’；（ｂ）ａｓｑｕａｒｅｍｅｔａｌｌｉｃ ｐａｔｃｈｕｎｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ｉｎｓｅｔ）ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ‘０’ａｎｄ‘１’ｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｈａｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｉｎａｒａｎｇｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ；（ｃ），（ｄ） ｔｗｏ１－ｂｉｔｐｅｒｉｏｄｉｃｃｏｄｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｏｆｂｅａｍｓｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｃｏｄｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆ‘０’ａｎｄ‘１’ｅｌｅｍｅｎｔｓ ２１１
122 材料工程 2016年7月 参晚影. Dielectri 图3一些人工电酷材料的结构示意图可 Fig3 Various3D photonic-metmaterrre 图4智能超流体)()外形()上下直径不问相连按的双圆单元 Fig.Pentamode me 《s)overview;(b》oblique-vie 智能机械超材料种类紧多，目前大部分在研究阶 段四。在力学上“可编程”的超材料，其实像是一块多 孔的橡胶板，经过特殊孔型及拓扑设计，可以在纵向和 描向上讲行压缩表现出所增“负府”或是刚度可调 的性质。因此，这种智能机械超材料可以有效地吸 收能量，可用于减震的汽车保险杠，或是根据不同地形 调整舒适度的鞋子。还有其他反胀材料，如反弹陶瓷 管制品，在被压缩到50%之后还能反弹复原。这对于 脆性氧化铝陶瓷材料来说，将具有相当广泛的应用前 echaniealcloak: 1.3智能热学超材料 智能热学超材料是近年来才提出的新型热能利 terial environment.any object can be placed inside of 用和调控的智能材料。自然界中的传统材料，其热 the hollow interior and thereby becomes"unfeelable-( 导系数在空间均匀分布，热量从温度高的一端直线 流向度低的一器这是人们所孰知的热传导式 然而，如果能实现空间热导系数的非均匀分布，通过 对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实现对热流方 能材料。这种设计可有效吸收和减弱声波的反射信 向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非 号，从而显著提高潜挺的隐身能力但这种智能超材 均匀分布的材料被称为热超材料22)。智能热学超 料并不仅仅是为了使物休隐形，其目的是将物体的物 材料是可感知外部热源主动响应的人工复合材料及 理作用力隐藏起米，使物体无法被人感觉到。这种 结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。 般可分 别的智能超材料是一种在某些性质上类似液体的固体 为两大类：控制热流和利用热能：用声子进行信息传输 品格，能够使外部施加的压力发生偏转，同时可以转移 和处理2。图6为基于隐热衣研制开发的热伪装器 破坏性较大的地霉被0) 件。 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
材料工程 ２０１６年７月 图３ 一些人工电磁材料的结构示意图［１７］ Ｆｉｇ．３ Ｖａｒｉｏｕｓ３Ｄｐｈｏｔｏｎｉｃ－ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［１７］ 图４ 智能超流体［１８］ （ａ）外形；（ｂ）上下直径不同相连接的双圆锥单元 Ｆｉｇ．４ Ｐｅｎｔａｍｏｄｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ［１８］ （ａ）ｏｖｅｒｖｉｅｗ；（ｂ）ｏｂｌｉｑｕｅ－ｖｉｅｗ 图５ “无触感”斗篷隐身技术理念，智能超材料将圆柱 体隐匿起来，使其无法被手指感觉到［１９］ Ｆｉｇ．５ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌａｓｔｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｌｏａｋ：ａｒｉｇｉｄｈｏｌｌｏｗ ｃｙｌｉｎｄｅｒｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎａｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｅｎｔａｍｏｄｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｙｏｂｊｅｃｔｃａｎｂｅｐｌａｃｅｄｉｎｓｉｄｅｏｆ ｔｈｅｈｏｌｌｏｗｉｎｔｅｒｉｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｂｙｂｅｃｏｍｅｓ“ｕｎｆｅｅｌａｂｌｅ”［１９］ 与此同时，俄罗斯雷洛夫国家研究中心进行工业 化研制，开发了拥有定制化设计的结构和密度分布智 能材料。这种设计可有效吸收和减弱声波的反射信 号，从而显著提高潜艇的隐身能力。但这种智能超材 料并不仅仅是为了使物体隐形，其目的是将物体的物 理作用力隐藏起来，使物体无法被人感觉到。这种特 别的智能超材料是一种在某些性质上类似液体的固体 晶格，能够使外部施加的压力发生偏转，同时可以转移 破坏性较大的地震波［２０］。 智能机械超材料种类繁多，目前大部分在研究阶 段［２１］。在力学上“可编程”的超材料，其实像是一块多 孔的橡胶板，经过特殊孔型及拓扑设计，可以在纵向和 横向上进行压缩，表现出所谓“负刚度”或是刚度可调 的性质。因 此，这 种 智 能 机 械 超 材 料 可 以 有 效 地 吸 收能量，可用于减震的汽车保险杠，或是根据不同地形 调整舒适度的鞋子。还有其他反胀材料，如反弹陶瓷 管制品，在被压缩到５０％之后还能反弹复原。这对于 脆性氧化铝陶瓷材料来说，将具有相当广泛的应用前 景。 １．３ 智能热学超材料 智能热学 超 材 料 是 近 年 来 才 提 出 的 新 型 热 能 利 用和 调 控 的 智 能 材 料。自然界中的传统材料，其 热 导系数在 空 间 均 匀 分 布，热 量 从 温 度 高 的 一 端 直 线 流向温度低的 一 端，这 是 人 们 所 熟 知 的 热 传 导 模 式。 然而，如果能实现空间热导系数的非均匀分布，通 过 对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实现对热流方 向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非 均匀分布 的 材 料 被 称 为 热 超 材 料［２２，２３］。智能 热 学 超 材料是可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及 结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。一般可分 为两大类：控制热流和利用热能；用声子进行信息传输 和处理［２４］。图６为基于隐热衣研制开发的热伪装器 件。 ２１２
第4卷第7期 智能超材料研究与进展 123 (a-1) b-1 图6 智能热学超材 热隐身器，中间蓝色人形（者实验室中界 用的钢挂)可身 温度场简 Fig.6 Thermal m 1) 1.4智能耦合超材料与隐身技术 束扫描高增盐和易生产的优势。此外，LED头灯和 现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波 红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。图9 或声波的散射截面进行隐身，而超材料则不再是反射 展示了超材料在汽车行业的潜在和实际应用。美 或吸收波，而是改变波的传播路线，使波发生弯曲，以 国杜克大学的研究人员研制出了一种超材料图像传感 达到绕射传播的目的从而实现隐身。因为极少有能量 器，无需镜头即可拍摄照片。通过在柔性基底上印制 产生后向散射，超材料可以达到最佳的隐身效果。图 能够捕捉不同频率光线的超材料微结构，再加上一些 ?为近年来才开始研制生产用于球形隐身的概念模 电路板和软件，这部只有传感器的相机可以进行拍 型。智能超材料的超表面配置基于可编程智能耦合 摄。这一技术可取代传统摄像机应用在智能车辆蒙皮 超材料，可实现不同频段，包括可见光的隐身可，如图 上。 8所示。 在卫星通信行业，美国Kymeta公司借助智能电 槛规合超材料，采取全息技术实现对目标卫星的动态 a 电子扫描对准。在近红外频段，智能热学超材料正有 被研究用于控制热量定向辐射。美国Plasmonics公 司与美国Sandia国家实验室利用超材料的非朗伯 (non-Lambertian)辐射特性来设计和制作具有方向 性的辐射表面。这种超材料表面的一个潜在应用是对 卫星的热量控制。在能源领域，集成了超材料纳米 基于转换光学的球形隐身) 雄益面视因：b 视图 合材料的薄膜技术可以收集更宽角度的入射光线并吸 (a i 收其中的可用频谱，显芳提高太阳能转化的效率。在 空航天方面，采用超材料技术的纳米复合材魁被用 1,5新型传感型超材料与智能蒙皮 于调控宽角度入射的光线 在全球“工业4.0”进程持 智能超材料的奇异性能很快在蒙皮技术领域得到 续深化、“智能十”应用领域不断扩大的背景下，超材料 拓展，在传感器巾场已开展相关技术储备。如T。 智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表 和BMW等著名汽车 产商已启动电磁超材料研发 产品，具有巨大的发展空间和良好的市场前景。 根据Toyota中心研发实验室的报道，智能电磁超材 1.6 智能超材料制备与基因工程 料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线，电动马达 自然材料设计一样，超材料也可以从基本结构 用新型磁性材料和电磁兼容(EMC)中使用的高性能 单元，即材料基因为出发点，对材料的各种物理性质进 吸收与屏敲材料中获得推广2)。Toyota开发了新型 行精确的计算和预测，揭示其材料的基本参数，或者说 的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线，其具有宽波 是材料基因组合，与宏观物理性质的相关趣律)。但 1994-2018 China Academic Jou al Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
第４４卷 第７期 智能超材料研究与进展 图６ 智能热学超材料［２５］ （ａ）热隐身器，中间蓝色人形（或者实验室中采用的铜柱）可被隐身； （ｂ），（ｃ）热伪装器 （１）概念示意图；（２）物理实现图；（３）实验测量的瞬时温度场简况 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［２５］ （ａ）ｔｈｅｒｍａｌｃｌｏａｋｉｎｇ；（ｂ），（ｃ）ｔｈｅｒｍａｌｃａｍｏｕｆｌａｇｅ；（１）ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｓｃｈｅｍｅ； （２）ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏｐｈｙｓｉｃａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ；（３）ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｆｉｌｅｓ １．４ 智能耦合超材料与隐身技术 现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波 或声波的散射截面进行隐身，而超材料则不再是反射 或吸收波，而是改变波的传播路线，使波发生弯曲，以 达到绕射传播的目的从而实现隐身。因为极少有能量 产生后向散射，超材料可以达到最佳的隐身效果。图 ７为近年来才开始研制生产用于球形隐身的概念模 型［６］。智能超材料的超表面配置基于可编程智能耦合 超材料，可实现不同频段，包括可见光的隐身［２６］，如图 ８所示。 图７ 基于转换光学的球形隐身［６］ （ａ）二维截面视图；（ｂ）三维视图 Ｆｉｇ．７ Ｓｐｈｅｒｅｃｌｏａｋｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｐｔｉｃｓ［６］ （ａ）２Ｄｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗ；（ｂ）３Ｄｖｉｅｗ １．５ 新型传感型超材料与智能蒙皮 智能超材料的奇异性能很快在蒙皮技术领域得到 拓展，在传感器市场已开展相关技术储备。如 Ｔｏｙｏｔａ 和 ＢＭＷ 等著名汽车生产商已启动电磁超材料研发。 根据 Ｔｏｙｏｔａ 中心研发实验室的报道，智能 电 磁 超 材 料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动马达 用新型磁性 材 料 和 电 磁 兼 容（ＥＭＣ）中使 用 的 高 性 能 吸收与屏蔽材料中获得推广［２７］。Ｔｏｙｏｔａ开发了新型 的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线，其具有宽波 束扫描、高增益和易生产的优势。此外，ＬＥＤ 头灯和 红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。图９ 展示了超材料在汽车行业的潜在和实际应用［２８］。美 国杜克大学的研究人员研制出了一种超材料图像传感 器，无需镜头即可拍摄照片。通过在柔性基底上印制 能够捕捉不同频率光线的超材料微结构，再加上一些 电路板和软件，这部只有传感器的相机就可以进行拍 摄。这一技术可取代传统摄像机应用在智能车辆蒙皮 上。 在卫星通信 行 业，美 国 Ｋｙｍｅｔａ公司 借 助 智 能 电 磁耦合超材料，采取全息技术实现对目标卫星的动态 电子扫描对准。在近红外频段，智能热学超材料正在 被研究用 于 控 制 热 量 定 向 辐 射。美 国 Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ公 司与 美 国 Ｓａｎｄｉａ国 家 实 验 室 利 用 超 材 料 的 非 朗 伯 （ｎｏｎ－Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）辐射 特 性 来 设 计 和 制 作 具 有 方 向 性的辐射表面。这种超材料表面的一个潜在应用是对 卫星的热量控制。在能源领域，集成了超材料纳米复 合材料的薄膜技术可以收集更宽角度的入射光线并吸 收其中的可用频谱，显著提高太阳能转化的效率。在 航空航天方面，采用超材料技术的纳米复合材料被用 于调控宽角度入射的光线。在全球“工业４．０”进程持 续深化、“智能＋”应用领域不断扩大的背景下，超材料 智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表 产品，具有巨大的发展空间和良好的市场前景。 １．６ 智能超材料制备与基因工程 与自然材料设计一样，超材料也可以从基本结构 单元，即材料基因为出发点，对材料的各种物理性质进 行精确的计算和预测，揭示其材料的基本参数，或者说 是材料基因组 合，与宏观物理性质的相关规律［２９］。但 ２１３