超材料 （有特殊性质的人造材料）

简介

超材料的奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，到雷达反射罩甚至是地震预警。

超材料是一个跨学科的课题，囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等等。

定义

“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。

超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。

典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”、“金属水”。

种类

1、自我修复材料——仿生塑料

伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。

2、热电材料

一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热电发电机，它可被直接插入普通发电机的排气管，从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料，名为黝铜矿，据称可达到5-10%的能效。科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿，一种含钴的矿物。

热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管。

3、钙钛矿

除晶体硅外，钙钛矿也可可用来制作太阳能电池的替代材料。在2009年，使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了2014年，这一数字已经提升到了19.3%。相比传统晶体硅电池超过20%的能效。科学家认为，这种材料的性能依然有提升的可能。

钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别，它们可以包含任意数量的元素，用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅，这些原材料要便宜得多，且能被喷涂在玻璃上，无需在清洁的房间当中精心组装。

4、气凝胶

气凝胶可由任意数量的物质所制成，包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。由于空气占了绝大部分比重，气凝胶还是一种绝佳的绝缘体。它的结构也赋予其超高的强韧性。

NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶，作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料。

5、Stanene——导电率

超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。

主要特征

metamaterial重要的三个重要特征：

（1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；

（2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）；

（3）metamaterial性质往往不主要决定于构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。

应用研究

目前，基于这些实验成果展开的产品转化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、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、声学隐身技术等产品研发和利用，已经成为各国竞争的焦点。

专家观点

“超材料”这一概念已经慢慢渗入多个领域。这一技术最初在电磁学领域引发轰动，接着长驱直入，进入包括热力学在内的多个领域，最近又开始在力学领域掀起狂澜。（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、民用科学技术的促进表明，新材料将会成为科学研究中一个很重要的切入点和方向，将会对众多领域带来冲击和影响，并产生新的产业，这个意义极为深远。（中国工程院院士段宝岩）

超材料的设计思想和方法很有可能成为发掘材料新功能、引领产业新方向，提高材料综合性能、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。应进一步明确在国家层面大力发展超材料技术的必要性，凝练发展重点，选择合理技术路线，制定符合超材料技术发展趋势、与我国国情相适应的超材料技术发展战略。（中国钢研科技集团有限公司副总工程师周少雄）