超材料：將童話變成現(xiàn)實(shí)

　　超材料是什么?“哈利波特的隱形衣”常常被拿出來直觀解釋這個(gè)問題，作為一種被認(rèn)為具有顛覆性意義的材料，超材料的應(yīng)用又絕不僅僅在于“逆光隱身”這一項(xiàng)，在不遠(yuǎn)的將來，它將在諸多領(lǐng)域改變我們的生活?？梢哉f，有了超材料，童話將成為現(xiàn)實(shí)。

　　人工創(chuàng)造新物質(zhì)

　　“改變物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有兩種方式，一種是自然作用，自然界原本就有若干種元素，還有分子和晶體、非晶體的排布形式，這些構(gòu)成了自然界的材料。還有一種是人工的方式，在人類技術(shù)手段可改變的層次和尺度上進(jìn)行物質(zhì)重構(gòu)，人的方式和自然的方式不一樣，可以創(chuàng)造出自然界不存在的新物質(zhì)、新材料，具備遠(yuǎn)超自然界物質(zhì)特性的新特性。”在近日由中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)承辦的第99期中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)“新觀點(diǎn)新學(xué)說”學(xué)術(shù)沙龍上，深圳光啟高等理工研究院的高級(jí)科學(xué)家岳玉濤解釋了何為超材料。

　　迄今為止，我們所使用的大部分材料都是建立在天然物質(zhì)改進(jìn)提高的基礎(chǔ)上。例如，遠(yuǎn)古時(shí)代的人們?cè)趧趧?dòng)中發(fā)現(xiàn)泥入火中，松軟變?yōu)閳?jiān)固，他們用泥土這種材料燒制磚瓦建造容身之所，燒制碗罐儲(chǔ)存食物。后來，人們發(fā)現(xiàn)使用化學(xué)或物理的方法，在玻璃表面形成壓應(yīng)力就可以提高玻璃的強(qiáng)度與承載能力，從而誕生了應(yīng)用于家具、建筑門窗等的鋼化玻璃材料。然而隨著材料設(shè)計(jì)和制備技術(shù)不斷改進(jìn)提高，對(duì)天然材料各種性質(zhì)和功能的進(jìn)一步發(fā)掘與利用的潛力空間逐漸縮小并趨于極限，依托于人工之手制造超材料的思想應(yīng)時(shí)而出。

　　作為21世紀(jì)物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)的一個(gè)新學(xué)術(shù)名詞，顧名思義，超材料即“具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料”。

　　計(jì)算機(jī)編寫新材料“DNA”

　　那么，我們又通過什么樣的手段獲取這種與眾不同的排列方式呢?

　　“計(jì)算機(jī)技術(shù)和微納米加工技術(shù)可以說是‘父與母’，生了超材料這個(gè)‘兒子’。”岳玉濤以形象的比喻追溯了超材料誕生的奧秘。

　　實(shí)際上，超材料科學(xué)就是由兩個(gè)技術(shù)的交叉產(chǎn)生的，一個(gè)是計(jì)算機(jī)技術(shù)，一個(gè)是微加工技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)從需求和用途出發(fā)，逆向把超材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算出來，可以稱之為“父親”，而微納米加技術(shù)是把實(shí)體材料生產(chǎn)出來的過程，因而是“母親”。

　　超材料很重要的一個(gè)特征，是在某一個(gè)微結(jié)構(gòu)層次上，通過人工的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)性能的提升。這些人工微結(jié)構(gòu)有千千萬萬個(gè)，可以用一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)庫歸納起來。很多不同的微結(jié)構(gòu)以某種形式組合在一起，最終就會(huì)形成一種擁有特定功能的優(yōu)異新材料，而這些微結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)，就有一個(gè)編碼，每種材料對(duì)應(yīng)著一系列的編碼，就像人的基因DNA一樣，一個(gè)特定的基因編碼就決定了一種材料的特征。當(dāng)需要具有特定功能的新材料時(shí)，可以通過龐大的超級(jí)計(jì)算機(jī)編寫出來其“DNA”序列，進(jìn)而通過微納米加工技術(shù)生產(chǎn)出新材料。

　　超材料融入百姓生活

　　目前，超材料在各行各業(yè)已有廣泛應(yīng)用。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，依托于超材料生產(chǎn)的衛(wèi)星天線更輕、更薄、更便宜，可為飛機(jī)、火車、船舶、汽車以及其他遠(yuǎn)離移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)提供寬頻的衛(wèi)星通信，使人們?cè)陲w機(jī)上能享受到更快、更便捷的網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。除此以外，在不久的將來，可自我修復(fù)的材料、熱電材料、氣凝膠材料、導(dǎo)電率100%的超導(dǎo)材料和光操縱材料等也將分別以各種應(yīng)用形式走入大眾生活。例如，英國布里斯托大學(xué)的研究者發(fā)明了一種具備自我修復(fù)能力的顯示屏材料，有望在未來幾年被應(yīng)用到智能手機(jī)上。如果成真，即便摔碎了手機(jī)屏幕，也無需承受昂貴的更換費(fèi)用，只待其自動(dòng)愈合即可;而增加了氣凝膠材料的沖鋒衣，隔熱性好，且輕薄、防水、防風(fēng)，在寒冷的地方也不必穿太厚的冬衣了;光操縱材料則讓哈利波特的隱形斗篷變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對(duì)光線進(jìn)行散射從而達(dá)到隱身的目的。

　　造物之手一旦由人類操縱，所產(chǎn)生的能量無疑十分神奇，超材料這種人工創(chuàng)造的新物質(zhì)，未來必定還會(huì)有更令人驚異的用途，這值得人們期待。