超构材料

现代科学技术的发展离不开先进材料的发展，例如，半导体材料为今天的电子工业社会奠定了基础。在对材料的研究中，科学工作者们在不断从大自然中寻找新材料的同时，另一种方法是在现有的材料基础上进行设计制造新型的复合材料[1]。

图1 麦克斯韦方程组[来源于网络]

在经典电动力学中，材料的电磁性质是通过介电常数和磁导率进行描述的，而在自然材料中，这两个物理量均为正值。1968年，前苏联的物理学家Veselago从理论上进行分析指出，当电磁波在介电常数和磁导率均为负的媒介中传播时，将会出现新奇的特性，如负折射、逆斯涅尔折射效应、逆多普勒效应等[2]。

图2 传统材料与超构材料中的折射现象[来源于Wikipedia]

影响材料的电磁性质，不仅仅是材料的种类，还有材料内部的结构排列。通过设计人工结构单元，将其作为“人造原子”来构造宏观连续的介质，并通过一定的规律组合成人工复合介质，这种新型的人工材料称为超构材料[3]。如图3所示，展现了自然材料与超构材料之间的差异，自然材料的基本单元是原子或分子，而超构材料的基本单元是具有特殊几何结构设计的单元，这两者之间的优势与缺点也泾渭分明，常规的自然材料源于自然，易于获得但是不易于设计，而超构材料具有灵活的设计性能，但其结构复杂不易于制造。

图3 自然材料与超构材料的结构示意图[4]

目前常见的超构材料类型有电磁超构材料、太赫兹超构材料、光学超构材料、热学超构材料等等。不同类型的超构材料在不同的领域有着不同的新奇特性，超构材料的出现，说明人类在一定的程度上可以做到对材料的功能进行特殊设计，实现常规材料所不能实现的功能。如图4所示的声学超构材料，通过灵活设计不同的结构单元，根据一定的排列规律，构造出不同类型数值的弹性模量和体弹性模量材料，为调控声波提供了新的方式，这是常规的天然材料所不具备的。

图4 声学超构材料（弹性模量ρ、体弹性模量K）[5]

超构材料最初出现在光学领域，通过设计合适的亚波长人工结构单元并构造其空间分布，可以调控电磁波的相位、振幅和偏振等特性，实现天然的光学材料所不具备的光学特性。如图5 所展示的光学隐身斗篷，通过设计光学超构材料中的结构单元，可以实现对光波的任意弯曲，进而控制光线的轨迹，实现光学隐身效果。光学超构材料的出现为光子学技术提供了更加广阔的应用前景，对高度集成的光子电路、微型传感器和微纳光学的发展起到了重要的推动作用。

图5 光学隐身斗篷[6]

尽管超构材料的基础仍然是在自然材料的基础上进行设计“人工原子“去合成新型的复合材料，但超构材料的出现代表着人们可以根据自己的需求进行设计材料，实现对电磁波、声波等物理量的灵活调控，表现了人们对材料的应用进入一个新的层次。虽然超构材料的设计具有非常大的灵活型，可以根据目的进行设计人工原子，并按照一定的序排列实现优异的性能，但也正是因为超构材料的灵活设计性能造成了超构材料的制备困难。超构材料所涉及的微纳尺度材料加工技术尚不成熟，并且由于其内部复杂的结构，损耗较大，工作效率较低的缺陷。

图6 不同形状的纳米天线示意图[7]

在三维超构材料的基础上，2011年，哈佛大学的Federicp Capasso教授提出二维的超构材料，即超构表面，利用“V”型天线结构单元构造各向异性的二维材料，并提出突变相位的概念，实现广义的折射定律和反射定律（Generalized Laws of Reflection and Reflection），打破了传统的斯涅尔定律，推动人工微结构材料向二维化发展[7]。如图6所示，作者通过采用金纳米天线，利用电磁波与不同的V型天线发生共振，实现对电磁波的相位和振幅进行有效调控。

二维超构表面的出现解决了超构材料在制备和效率上的缺陷，将人工微结构材料的发展引入引入一个新的阶段，使人工微结构材料的设计更加灵活，功能更加丰富。