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数字超材料:超乎你的想象

2020-05-22 09:12编辑:诚信在线人气:


  ●它突破自然规律限制,物理特性超常 ●它基于数字编码,结构新奇,设计灵活 ●它在隐身、战场感知等方面应用前景广阔

  国防科技大学文理学院教授杨俊波为您讲述——

  数字超材料:超乎你的想象

  本报记者 王握文 通讯员 毛元昊 朱晰然

数字超材料:超乎你的想象

  在科幻电影中,那些具有超强本领的人被称为“超人”;在现实生活中,那些具有超强计算和处理能力的计算机被称为“超算”……

  在五花八门的材料世界里,也有一种物理性质“超常”的特殊材料,叫做“超材料”。这种材料在自然界并不存在,是本世纪才出现的一种具有特殊性质的人造材料。它通过对某种材料的再加工,并在其表面或内部设计出特殊几何结构或排列方式,使其拥有天然材料所不具备的特殊性质。天然材料的性质是由其成分来决定的,超材料的“超常”性质则源自其后天的结构。

  随着科技的进步,在超材料基础上还发展出数字超材料,或者叫数码编程设计的超材料。这是一种通过特定设计、打破传统规则结构、拥有奇异光学及声学特性的超材料。有了它,科幻乃至魔幻电影中的“隐身斗篷”“超级透镜”等奇思妙想也将加速变为现实,人们的生活将会因此而发生重大的改变。

  “反常”疑问,催生新奇材料

  原本自然界中不存在的超材料,是如何“无中生有”孕育出来的呢?

  1968年,苏联理论物理学家菲斯拉格发现,光束由空气中斜射进入水中,入射光与折射光位居法线两侧。于是,他突发奇想:是否还有另一种介质,与上述现象相反,能让入射光与折射光位居法线同侧呢?

  菲斯拉格的这个“反常”疑问,并非异想天开。从理论上讲,人们只需找到一种同时具有负介电常数和负磁导率材料,就能出现这一“反常”物理现象。只是当时没有开展实验验证,加之功能材料尚处于发展初期,菲斯拉格的这个大胆的科学猜想并未引起重视。

  幸运的是,随着人们对电磁理论的深入理解和微纳加工工艺的快速发展,一种在微纳尺度上拥有周期结构的人造器件诞生了。它不仅在实验上实现了负介电常数、负磁导率等一切理论预言,诚信在线官网,更是让人们深刻地理解到:通过在多种物理结构上的设计,人们可以突破自然规律的限制,获得超常功能的“新物质”,即具有奇异功能的超材料。

  超材料是材料设计思想上的一个跨越式重大创新,被誉为本世纪前10年的10项重要科学进展之一,已成为发掘材料新功能、引领产业新方向、突破稀缺资源瓶颈的有力手段。

  创新永无止境。超材料方兴未艾,数字超材料又应运而生。2014年,我国东南大学研究团队首先提出了数码、电磁可编程的数字超材料概念。与拥有周期排布结构的超材料不同,它由若干个单元按照编码的方式排布,就好比给材料注入了活的“基因”,可由人们进行调控。而这些新型材料将会忠实地听从“指示”,实现所需的各种奇异功能。

  超级“另类”,性能独树一帜

  数字超材料的出现,实际上是现代信息工业与前沿物理领域相互结合的产物,它将“编码思维”融入了新型超材料的设计过程。在数字超材料中,不同的编码会带来不同的电磁响应,加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念,数字超材料自然成了材料领域的超级“另类”,拥有了与众不同、独树一帜的性质和功能:

  ——结构新奇,颠覆认知。数字超材料结构超级“另类”,它既不同于天然材料依靠原子或分子结构来实现功能,又不同于传统超材料拥有规则的人工单元结构,而是完全采用数字编码的方式,凭借微纳加工技术注入的“材料基因”而拥有超常物理性质和“超能力”,其全新、奇异的结构完全颠覆了人们对物质构成的认知。目前,科学家们已经研制出具备自我修复能力的仿生塑料、将热电转化为可用电力的热电材料等“黑科技”产品。

  ——逆向设计,按需定制。数字超材料采用数字编码的方式设计,拥有十分广阔的设计自由度,可根据不同应用需求来实现“按需定制”。而基于“数字”的可编码特性,又能突破传统材料“正向求解”的设计方法,即根据各种约束条件,“从后向前”进行“逆向设计”,从而可有效解决传统设计中存在的限制和缺点。

(来源:诚信在线手机版下载)

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