“暗戰(zhàn)”超材料，中國如何勝出?

　　首先讓我們從中學物理課上老師都會演示的一個現(xiàn)象說起：當一束光從空氣斜射入水中，會產(chǎn)生入射光和折射光，它們居于法線的兩側(cè)。因為這種反射現(xiàn)象，我們能夠看到大自然中的許多物體。那么，是否存在這樣一種介質(zhì)，當光入射其表面時，入射光與折射光位居法線同側(cè)呢?

　　其實早在1968年時，前蘇聯(lián)理論物理學家菲斯拉格(Veselago)便提出了這個疑問，并在理論上預(yù)測了上述“反?！爆F(xiàn)象。只是由于沒有實驗驗證，加之當時處于功能材料發(fā)展初期，人們對菲斯拉格的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。

　　根據(jù)廣義相對論，時間和空間都是可以“彎曲”的，而空間里的光線同樣可以彎曲，前提是設(shè)計并制作出足夠小的“設(shè)備”。近年來，科學家沿著菲斯拉格的理論，依靠一些間隔僅有1毫米的幾千分之一的人工結(jié)構(gòu)，將材料的單元結(jié)構(gòu)(人工原子和人工分子)集合，通過不同的結(jié)合結(jié)構(gòu)和排列設(shè)計制造出各種超材料，實現(xiàn)了讓光波、雷達波、無線電波、聲波甚至地震波彎曲的夢想。

　　如今，超材料研究正在發(fā)酵。美國《科學》雜志將其列入本世紀前10年的10項重要科學進展之一，引發(fā)了諸如新一代信息技術(shù)、國防工業(yè)、新能源技術(shù)、微細加工技術(shù)等領(lǐng)域的重大變革。

　　群雄競逐　你追我趕 國際競爭日益激烈

　　這場變革已經(jīng)到來。發(fā)達國家的政府、學術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對超材料技術(shù)的研發(fā)給予高度重視，制定了相關(guān)計劃，投入了大量人力和物力。

　　例如，美國國防部專門啟動了關(guān)于超材料的研究計劃，美國最大的6家半導(dǎo)體公司英特爾、AMD和IBM等也成立了聯(lián)合基金資助這方面的研究。美國國防部更是將其列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一。歐盟組織了50多位相關(guān)領(lǐng)域頂尖的科學家聚焦這一領(lǐng)域的研究，并給予高額經(jīng)費支持。日本在經(jīng)濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個關(guān)于超材料技術(shù)的研究項目，每個項目約為30億日元。

　　在各國科學家的實驗室中，很多新奇的發(fā)明已經(jīng)出現(xiàn)。

　　美國的科學家制造出一種反彈陶瓷管，相比傳統(tǒng)脆而硬的陶瓷，這種反彈陶瓷管在被壓縮50%后還能復(fù)原。這種陶瓷將在“普通物質(zhì)無能為力的地方大顯身手”，如航天飛機或者噴氣式發(fā)動機的隔熱設(shè)備。

　　在德國，科學家已經(jīng)使用一種叫作“徑直激光平版刻錄”技術(shù)制成由微型塑料棒構(gòu)成的隱形材料片。將上述隱形材料片覆蓋在物體上，在紅外照相儀觀測下，隱形材料改變了覆蓋物周圍光線的速度，從而使覆蓋物和被覆蓋物一同消失。而包括美國國防高級研究計劃署在內(nèi)的軍方機構(gòu)，尋求的正是這種隱藏技術(shù)，以便讓飛機在軍事雷達探測范圍內(nèi)隱身。

　　法國科學家則發(fā)現(xiàn)了通過超材料墻壁和地面精確打孔來轉(zhuǎn)移地震波，讓地震和海嘯偏離建筑物或城鎮(zhèn)，以達到減災(zāi)的目的。

　　荷蘭的的科學家則制造出在力學上可編程的智能橡膠。通過小型開關(guān)的控制和特殊的設(shè)計，這種智能橡膠可以像一塊超大海綿一樣變硬或者變軟，甚至在擠壓下可以在這兩個階段進行快速轉(zhuǎn)變。借助這種材料，人們不久或?qū)⒖梢源┥夏芡ㄟ^感應(yīng)地面軟硬度而自動調(diào)節(jié)的鞋子。

　　目前，基于這些實驗成果展開的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化步伐也在加快。像超材料智能蒙皮、超材料雷達天線、吸波材料、電子對抗雷達、超材料通信天線、無人機雷達、聲學隱身技術(shù)等產(chǎn)品研發(fā)和利用，已經(jīng)成為各國競爭的焦點。

　　合力攻關(guān)　注重應(yīng)用 我國領(lǐng)跑有優(yōu)勢

　　相比于不少國家相對分散的發(fā)展模式，我國在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式則更加聚焦和有力。我國已分別在863計劃、973計劃、國家自然科學基金、新材料重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)介質(zhì)基超材料以及聲波負折射等基礎(chǔ)研究方面，我國企業(yè)取得了多項原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機。

　　曾在美國留學并在《科學》雜志發(fā)表關(guān)于新型超材料寬頻帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中代表。2010年，以劉若鵬博士為首的5位留學生團隊回國創(chuàng)辦了深圳光啟。經(jīng)過幾年發(fā)展，該公司已在世界范圍內(nèi)申請超過2800件專利，約占相關(guān)領(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?6%，該公司還在創(chuàng)建基于超材料的智慧社區(qū)、無線互聯(lián)、航空航天等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化方面走在世界前列，如其全球首條超材料微結(jié)構(gòu)精試線，設(shè)備定制化程度高達70%，可實現(xiàn)高達2微米的工藝精度。他們還設(shè)計了超材料生產(chǎn)標準化流程。

　　以其設(shè)計的電磁超材料天線為例，運用一塊可折疊為筆記本大小、印著“江南水鄉(xiāng)風景畫”的電路板，飛機、火車、輪船、汽車就能在移動網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。不管衛(wèi)星在天空中的哪個地方，該天線都能追蹤到，不必像傳統(tǒng)的碟形天線一樣總朝一個方向盯著一顆衛(wèi)星。

　　美國類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計劃今年才開始，而光啟早在3年前便在我國22個省份進行了安裝試用。而這，僅僅是中美之間近年來在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競爭之一。

　　另一方面，我國在超材料的微結(jié)構(gòu)加工方面也取得了長足進步。去年，中南大學教授黃小忠的團隊利用3D打印機，通過對材料進行編碼，獲得了一塊邊長18厘米、包括10萬個物理單元的具有隱身性能的超材料，這樣可以實現(xiàn)我國未來太空隱形飛行器的零部件的快速打印和更換。

　　此外，為了打破歐美對超材料技術(shù)標準的壟斷，上月，全國電磁超材料技術(shù)及制品標準化技術(shù)委員會審查和報批了國家標準《電磁超材料術(shù)語》。這意味著，我國在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國家標準，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標準轉(zhuǎn)化起到重要作用。

　　有調(diào)研公司預(yù)測，超材料全球市場規(guī)模在2010—2020年間將以高達41%的年復(fù)合增長率發(fā)展?？梢灶A(yù)計，隨著全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化、“智能+”應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，一個可帶動諸如高速列車、新型地面行進裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領(lǐng)域的千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群正在崛起。

　　利用駕馭電磁波的超材料技術(shù)來建造未來世界，正在成為全球科技創(chuàng)新的又一焦點。應(yīng)當說，我們在這方面擁有明顯優(yōu)勢，完全有條件成為這場創(chuàng)新革命的領(lǐng)跑者。