1.工业和信息化部电子科学技术情报研究所

2.中国重型机械有限公司

四、超材料在国防领域的应用前景广阔

随着超材料研究的不断深入，其潜在应用范围不断扩展，已从微波发展到太赫兹以及光波段。令人兴奋的新型应用如高效平面天线、能量采集器、隐身材料、太赫兹通 信以及力学隐形衣正在不断涌现。平面天线可以应用于军事通信卫星，能量采集器可为军用传感器网络提供能量，而隐身材料可制作雷达难以识别的隐身飞机外壳涂 层等。

1．用于平面天线的超材料[9]

2014年4月16日，英国BAE系统公司和伦敦大学玛丽女王学院合作创造了一种制造平面天线透镜的新颖超材料，可使电磁波通过透镜聚焦，从而实现提高天线增益和增强方向性的目的。这一突破可能使飞机、舰艇、无线电和卫星天线的设计产生划时代的变革。

平面透镜具备了曲面透镜的电磁属性，同时保留了同样的宽带性能。这种复合超材料透镜能够嵌入飞机的蒙皮中，相对于当前的机载天线这是一个重大飞跃。使用新型 平面天线技术，可以用一个天线替换过去不同频率工作的多个天线。BAE系统公司由此成为世界上第一个成功将变换光学融入超材料的企业。超材料天线具有质量 低、灵敏度高和方向性好的优点,是雷达、战斗机、GPS 导航系统的必备材料。

2.捕获微波能量的超材料[10]

2013年11月7日，美国杜克大学普拉特工程学院设计了一种能量采集器，可调谐捕捉到的微波信号。能量采集器的关键在于应用了超材料，其人工设计结构可以捕捉各种 形式的波能并调谐为可用能量，其能量转换效率接近于太阳能电池。根据2013年12月的《应用物理快报》，此无线能量采集器件可将微波信号转换为直流电 压，为手机电池或其他小型电子设备充电。

能量采集器工作原理与将光能转换为电能的太阳能电池相似。这种通用能量采集器可以采集其他能源的信号，包括卫星信号、声波信号或Wi-Fi信号。研究人员设 计了可捕获微波的电路，用电路板把由玻璃纤维和铜导体组成的5个超材料结构连接在一起，可将微波转换为7.3 V的电能。相比之下，用于小型电子设备的通用串行总线(USB)充电器只有5V电压。研究目标是利用超材料结构电路实现37%的最高能源效率，堪与太阳能 电池相比较。此外，超材料结构电路还可用于其他类型的能量采集，如振动能和声能。

超材料能量采集器还可以制作到手机上，在闲置时允许手机无线充电。依据此原理，在附近无传统插座可利用时，手机使用者可以从邻近的手机信号塔采集能量。

杜克大学的工作验证了一种简单而廉价的电磁能量采集方式。设计的奇妙之处在于基本构建块是独立、可添加和删减的。设计者可以简单地组装多个模块以增加捕获的 能量。例如，可以组装一系列的能量采集模块，捕捉一组已知的穿越头顶上空的卫星信号。信号所产生的能量可以驱动偏远地方，如山顶或沙漠的一个传感器网络工 作。

3.具备隐身功能的超材料[6]

2014年3月31日，美国中佛罗里达大学科学家创造了被称为超材料的人造纳米结构，可以使光弯曲。在一个物体周围控制和弯曲光线从而使肉眼难以看到物体，这是科幻小说中隐形斗篷的理论依据。现实中利用超材料制作隐形斗篷还面临巨大挑战。此研究可能将克服这一障碍。

因为天然材料不可能将光线弯曲，科学家创建了人造纳米结构超材料来完成此重任，在3维空间通过结构操纵、控制电磁响应将实现对光的精确控制。利用此技术可以 创建具有所设计的光学特性的更大面积的超材料，以便制造现实可用的器件。比如开发大面积超材料吸收器，使战斗机隐身于探测系统，不被雷达发现。

4.宽带太赫兹通信用超材料[11]

2014年1月17日，美国能源部艾姆斯（Ames）实验室的科学家验证采用超材料可产生宽频带太赫兹（THz）电磁波。此发现将有助于开发无损成像和传感技术，使THz速率的信息通信、信息处理和存储成为可能。

THz电磁波位于电波（如微波和无线电波）和光波（如红外和紫外波）之间的中间频带。利用THz波可以加速电信技术发展，为理解光子学的基本性质开辟新天地。但是 如何有效地产生和探测THz波的相关技术难题限制了其使用范围。为了应对这些挑战，艾姆斯实验室开始尝试自然材料以外的可能解决方案。因为超材料表现出自 然界所不存在的光学和磁学性质，实验室开始采用人造超材料。

德国理工学院创建了由特殊类型的元原子(Meta-atom)组成的分裂环谐振器超材料。U形分裂环谐振器显示出在THz到红外光谱内对任何所需频率波的强磁响应。

从事超快速激光光谱技术研究的艾姆斯实验室，设计了飞秒激光实验，证明从单一纳米厚度的超材料可发射THz波。超短激光脉冲与超材料不同寻常的特性相结合，可以使发射极厚度显著降低，从而高效率产生宽频带THz波。

研究组采用1.5μm通信波长验证其技术。调整超材料中元原子尺寸便可定制产生THz波。从原理上说，可以将此技术扩展到全部THz频段。更重要的是，实验 室研发的超材料THz发射极仅有40nm厚，而以往传统发射极厚度是此超材料发射极的数千倍。此技术为填补THz技术差距提供了可能的解决方案。方案解决 了THz发射极技术的4个关键挑战：效率、宽带频谱、体积小型化尺寸和可调谐性。

5.避免物体被触摸到的隐形衣[12]

2014年6月，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）科学家成功创建一个装置，物体放于其中难以被触摸到。该研究成果发表在《自然·通信》杂志上。在过去几年，科研人 员已经开发出各种各样的物理隐形衣。例如光学隐形衣使对象难以看到，而其他类型隐形衣可以让热或声音不受影响地穿过。KIT科学家开发出一个全新的力学隐 形衣，它使对象难以触摸到。

隐形衣由聚合物超材料制成，其特性取决于空间结构。在需要被隐藏的对象周围建造此结构，结构中力量分布依赖于所处位置。开发力学隐形衣的最大障碍是将精密组 件在一定尺寸内完整排列。此处的超材料是一种亚微米精度结构的晶体材料，由针尖接触的针形锥体组成。接触点的大小通过准确计算以获得所需的力学性能。在此 结构中，手指或测量仪器无法感受到结构的存在。

在制备隐形衣时，一支硬圆筒插入到底层。被隐藏的对象置入圆筒腔，如果一个轻质泡沫或多层棉覆盖于硬筒上方，将很难触碰到硬筒，但作为一种形式仍然可以感觉 到。超材料结构引导触指的力量使得圆筒完全被隐藏。这就像在安徒生的童话故事《公主和豌豆》中，尽管床垫很厚公主还能够感觉到床垫下的豌豆。但使用新型超 材料，只需要薄薄一层床垫足以让公主睡得好。

这种力学隐形衣的实现相当复杂。当定义了所需的力学特性后，利用数学方法推导出物理基本方程，以对超材料的结构得出结论。使用此方法可以设计出自然界不存在 的材料，例如难以压动的僵硬固体，但柔软的可用剪刀剪。超材料由聚合物制备，采用KIT学院的“剥离纳米划痕”（spinoff Nanoscribe）激光直写法，实现了长度几个毫米的完整样本要求精度。

力学隐形衣虽然还在纯粹的基础物理研究阶段，但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。采用这种自由选择力学特性的超材料，可以研制出隐藏电缆管道的非常轻薄但很舒服的野营垫。

截至目前，围绕超材料的研究大多属于理论探讨和实验室样品研制阶段。进一步的研究将会为超材料提供更广阔的国防电子设备应用空间，比如工作在可见光到红外甚 至更长波段基于超材料结构的石墨烯晶体管、用于可见光成像与太赫兹成像的CMOS数字图像传感器、提高增益降低成本的微带贴片天线、超材料频选表面制成的 卫星天线、高效薄膜太阳能电池、光谱检测分析设备等。根据美国Lux研究机构的预测报告，超材料在未来10年将得到广泛应用。

原文载于《新材料产业》杂志2014年9期