科學(xué)家創(chuàng)造出超材料設(shè)計(jì)方法 哈利·波特的隱身衣或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)

　　基于量子力學(xué)原理，加州理工學(xué)院(CIT)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)的工程師們聯(lián)合研究出一種設(shè)計(jì)超材料的系統(tǒng)性辦法，為超材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)搭建了一個(gè)基本的框架。

　　新材料的一種：超材料

　　超材料是什么?

　　《哈利·波特》中的這款隱身衣采用的就是一種負(fù)折射率超材料。

　　雖然看起來(lái)很炫酷，但事實(shí)上這種材料的成分沒(méi)有什么特別之處，其奇特性質(zhì)主要源于材料本身精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小。

　　超材料是一種新型、具有特殊性質(zhì)的人工材料，一般的材料都是由原子組成，而超材料的最小組成單元是可以自由設(shè)計(jì)的。它擁有一些特別的性質(zhì)，如讓光、電磁波改變它們通常的性質(zhì)。

　　目前，對(duì)于超材料的研發(fā)主要還處于理論研究和負(fù)折射率超材料的研制上。

　　左邊折射率為正 右邊折射率為負(fù)

　　在2001年，Science雜志上刊載了美國(guó)Smith教授及其團(tuán)隊(duì)的研究成果，他們成功制備了在微波波段具有負(fù)折射率的材料;后來(lái)在2006年，依據(jù)負(fù)折射率特性，J. B. Pentry教授在微波波段提出了隱身斗篷的概念，即材料可以完全吸收光線;近日，哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)也研發(fā)出了一種將所有可見(jiàn)光聚集到一個(gè)點(diǎn)的濾鏡，為VR/AR硬件上的創(chuàng)新帶來(lái)可能。

　　不被認(rèn)可的超材料，痛點(diǎn)在缺乏實(shí)際成果

　　對(duì)于超材料，大多數(shù)人認(rèn)為現(xiàn)在只是在炒作這一概念，并沒(méi)有實(shí)際意義。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有的實(shí)際成果十分之少，且都尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。

　　CIT和ETH的研究團(tuán)隊(duì)看見(jiàn)了這樣的痛點(diǎn)，Chiara Daraio教授就表示，包括自己的材料研究在內(nèi)，目前所有的實(shí)驗(yàn)嘗試都是隨機(jī)的，并沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的方法來(lái)指導(dǎo)和支撐大家進(jìn)行開(kāi)發(fā)和研究，所有研究進(jìn)度受到了阻礙。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，Daraio教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將研究方向轉(zhuǎn)到了量子力學(xué)領(lǐng)域。對(duì)此，Daraio解釋道：“每個(gè)粒子都是微小的物質(zhì)，并且與相鄰的物質(zhì)保持一種聯(lián)系，當(dāng)入射波進(jìn)入時(shí)，粒子，或者與相鄰粒子的共同作用會(huì)對(duì)其作出反應(yīng)。我們就恰好通過(guò)研究粒子的特性，然后將這一設(shè)計(jì)應(yīng)用到宏觀材料的設(shè)計(jì)上。”

　　理論到實(shí)際，只需一臺(tái)計(jì)算機(jī)

　　作為這一系統(tǒng)性辦法的證明，Daraio教授的團(tuán)隊(duì)據(jù)此通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出了10×10厘米的硅晶片，其該硅晶片由100個(gè)通過(guò)相互連接的小板組成。當(dāng)晶片被超聲波刺激時(shí)，只有角部的板振動(dòng)，其他板塊仍然保持靜止。

　　此外，Daraio團(tuán)隊(duì)還基于該方法對(duì)此前研究的一系列矩形毫米板制成的超材料進(jìn)行設(shè)計(jì)上的調(diào)整，結(jié)果他們很快就創(chuàng)造了一個(gè)完美的聲學(xué)透鏡，這款透鏡可以聚焦聲音而不會(huì)丟失信號(hào)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　這一方法的提出對(duì)于超材料的實(shí)際應(yīng)用有極大的推動(dòng)作用，對(duì)于未來(lái)的應(yīng)用，Daraio教授表示，這項(xiàng)工作也可用于設(shè)計(jì)光學(xué)超材料、天線和光學(xué)信號(hào)處理設(shè)備。