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欢迎来到“超材料”世界
作者:日照科普网  点击次数:1767  发布时间:2013-10-09 11:39:45

 

据英国《自然》杂志网站近日报道,近几年,“超材料”逐渐成为科学家们争相研究的前沿领域。他们表示,经过工程学方法处理的具有新奇光学属性的“超材料”在不久的将来,会揭开自己“神秘面纱”,从实验室大步迈入市场。

 “超材料”:生活中不可或缺

如果汤姆·德里斯科尔从来没有听说过“哈利·波特式的隐身斗篷”这样的词语,他应该会很高兴,但这不可能发生。现在,“哈利·波特式的隐身斗篷”这样的词语已经成为滥觞——当媒体报道“超材料”领域取得的进步时,似乎无法拒绝这一表达的神奇“魔力”,致使这样的词语不定期就会充斥各大媒体与观众见面。

物理学家德里斯科尔在“高智发明公司”工作,主要负责“超材料”的商业化开发和推广工作。

 “超材料”是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料,其能采用天然材料无法做到的方式弯曲、散射或传输电磁波。理论学家们认为,“超材料”能被用来制造各种各样的隐形装置,这些装置就像某些科幻小说中提及的“隐形斗篷”那样,能使物体周围的光等电磁波“绕道而行”,从而使物体变得不可见。

2000年,美国加州大学圣地亚哥分校的物理学家戴维·史密斯和同事首次向公众展示了“超材料”的神奇魔力:他们利用微波技术把一个直径5厘米的铜制小圆筒成功地隐藏起来,尽管史密斯等人对隐形范围只相当于一粒豌豆这一实验结果并不满意,但这仍然是“超材料”史上值得大书特书的时刻。

其实,英国帝国理工学院的约翰·潘德瑞爵士才是“超材料”的发明者。早在上世纪90年代中期,潘德瑞进行的实验就证明,一排细小的铜线和铜环对微波的折射率为负数,而所有天然材料的折射率都为正,并在此基础上提出了负折射理论。潘德瑞认为,人眼之所以能看见物体,是因为光线反射的缘故,而未来纳米技术的发展,使科学家能够研发出一种改变光线方向的材料,这就是“超材料”。

史密斯和潘德瑞的研究结果极大地诱发了科学家们对“超材料”的兴趣,很多“超材料”研究人员希望能让“隐形斗篷”早日成为现实,军方也亟不可待地投入了大笔资金。

不过,迄今为止,研制出的“超材料”的魔力还十分有限:只在单层的二维材料上取得了成功;“负折射”特性也只出现在微波范围。对于波长更短的光,比如人眼适应的可见光,还无能为力。也就是说,这些“超材料”还无法制成在那种人眼前消失的“隐身斗篷”。目前,只是一个鼠标大小的隐形罩,对科学家们来说都是一个比较大的目标,研制出“隐身斗篷”至少需要数十年。

德里斯科尔也补充道,“超材料”领域的研究人员目前仍然面临很多令人望而却步的挑战,其中最突出的是,找到便宜的方法,在纳米尺度下制造出超材料元件并精确地控制其“一举一动”。因此,从现实情况出发,廉价的卫星通讯设备、更纤薄的智能手机以及超快的光学数据处理设备“有望成为超材料发挥最大影响力的地方”。

据悉,首块由“超材料”制成的产品有望于明年面市,这也有望引发连锁反应,让普通消费者在使用“超材料”中受益,比如,在飞机上或从手机那儿获得更快、更便宜的互联网连接。德里斯科尔表示,这样的应用也将有助于由“超材料”制成的产品从“人们生活中的新奇之物”变身为“生活中不可或缺之物”。

 “超材料”天线:让飞机与卫星“通话”

今年1月,现在在美国杜克大学工作的史密斯成为高智发明公司“超材料”商业化部门的联合负责人之一。他表示,首款由“超材料”制成的商业化产品最早将于明年上市。

从高智发明公司拆分出来的卫星通信创业公司Kymeta希望向市场上推出一款紧凑型的天线,这或许是首款与“超材料”有关的面向普通消费者的产品。这个相对来说比较廉价的设备会让飞机、火车、轮船、汽车在移动网络鞭长莫及的偏远地方连接卫星宽带上网。

目前,这一天线的技术细节仍是秘密。据悉,这款天线基于“电磁超材料”。这是一类人造材料,能够控制电磁波,使射频信号对准卫星,从而建立持续的宽带连接。

该天线的核心是一块平滑的电路板,其上包含有数千块这种电磁“超材料”元件,每个元件的属性可以被设备内置的软件改变。当天线正确地追踪到卫星时,各个“超材料”元件释放出的波会互相加强并朝卫星所在的方向扩散,其他方向释放出的波则会相互抵消并消失得无影无踪,这就使得不管卫星在天空中的哪个地方,该天线都能追踪到而不必像标准的碟形天线一样总朝一个方向盯着一颗卫星。

该公司表示,与目前广泛使用的卫星天线相比,采用这一技术研制的新“超材料”卫星天线更轻、更薄、更便宜。Kymeta公司已经向投资者和潜在的合作伙伴展示了这一技术,他们也计划对这一技术进行更进一步地研究,在降低成本的同时保持其严苛的性能标准,以满足监管机构的要求。

Kymeta公司表示,这款天线计划于明年推向市场,或许首先会在私人飞机和客机上使用,如果市场反应良好,他们希望将这一技术应用于便携式、能效高的卫星通信产品内,用于营救工作或研究领域。这些产品将广泛应用于航天、交通和海洋等领域,而且,该公司也计划为个人用户开发便携式卫星接入设备。

 “超材料”相机:让机场安检变得更方便

今年1月份,史密斯的团队宣布,他们已经研发出了另外一款“超材料”设备:一台不需要镜头或任何移动零件就能制造出微波压缩图像的相机,这一设备或许有助于降低机场安检的成本和复杂性。

在目前的机场安检内,扫描设备必须对物体周围或物体之上的一台微波传感器进行彻底扫描,这会产生大量数据,而在对这些数据进行处理之前,必须要将其存储起来,而杜克大学的研究团队研制出的设备则不需要存储很多数据。该设备会朝物体以10/秒的速度发送多种波长的微波束,从而为物体拍摄多张快照。当微波被物体反射回来后,会落在一条纤薄而狭窄的四方形铜质“超材料”元件上,每一块元件能被调谐,从而或阻止或让反射的辐射通过。每块元件会将一张被扫描物体的简化快照传输进一个传感器内,传感器再对每幅快照发出的辐射总强度进行测量,随后输出一系列数值,这些数值能被进行数字化处理,从而构建出一张该物体经过高度压缩的图像。

不过,史密斯团队也承认,这仅仅迈出了第一步。迄今为止,展示出的图像都很粗糙,只是简单的金属物体的二维图像。德里斯科尔表示,获得复杂物体的三维图像是科学家们面临的巨大挑战。但是,如果这一挑战能被克服,机场或许会让目前笨重且昂贵的安检设备下岗,用大量纤薄廉价且同计算机紧密相连的“超材料”照相机来代替。德里斯科尔表示,这一转变有望让安检扫描扩展到机场的各个房间、过道、走道以及其他敏感的设施内。

史密斯团队目前的主要目标是研发出一种坚固且有市场潜力的“超材料”设备,其并不局限于无线电、微波或红外波长。如果这一技术能同可见光合作,它们将变得更有用,可以用于光纤通讯或面向消费者的照相机和显示器内。

史密斯研究团队的史蒂芬·拉润彻表示:“要做到这一点并不容易”。他解释道,对于任何给定类型的光波,只有元件及其之间的间隔比该光波的波长小,“超材料”才能施展和发挥它们神奇的能力。因此,我们使用的波长越短,“超材料”元件的块头就应该越小。

在光谱的微波和无线电区域内,做到这一点相对来说还比较容易:这一范围的波长从几分米到几米不等;但一款光学的“超材料”元件的测量单位则低至微米以下。不过,拉润彻表示,这也并非不可能,今天的高性能微芯片内就包含有仅仅几十纳米宽的零件,不过,与这些从本质上来说静止不变的零件不同,很多应用领域里使用的“超材料”元件需要通过软件来按需改变其属性,所以,这也大大增加了其制造难度。

 “超级镜头”能平面聚焦

尽管存在不少困难,但科学家们已经开始着手设计一些能发挥作用的光学“超材料”元件。例如,今年3月份,美国南安普敦大学光电研究中心副主任、物理学家尼古拉·正路德福领导的研究团队发表文章称,他们新研制的纳米“超材料”零件由电控制,能显著提升传输或反射光波的能力,这些超材料零件由金薄膜蚀刻而成,这种设备有望成为高速光纤通讯网络中的开关。

与此同时,因为在光学尺度上很难制造出三维“超材料”阵列并对其进行控制,所以,有些研究人员转而开始专注于研究二维的“超表面”。

20128月,美国哈佛大学的实验物理学家费德里科·卡帕索展示了一款平面的“超材料”镜头,其能像玻璃镜头那样,将红外线聚焦到一点上。卡帕索表示:“我不敢说这完全是新鲜事物,但我相信,我们是全球首个将平面光学用于商业产品的团队。”

传统镜头通过让光穿过不同厚度的玻璃产生的折射从而让光聚焦到一点,而卡帕索团队研制出的镜头则让光通过一个金“超材料”元件组成的二维阵列做到这一点。这一“超材料”元件阵列由为微芯片工业而研发的电子束光刻技术从一块60纳米厚的硅晶圆上蚀刻出来。金元件被固定,因此,装配后不能再被调整。但是,通过在制造过程中选择特定的大小和间距,物理学家们能让给定波长的光以精确的方式正确地聚焦到某一点上。

不过,卡帕索警告称,这样的平面镜头距离商用或许仍然要等上数十年。部分原因在于,硅本身是一种坚硬且易碎的材质,不容易蚀刻,为此,研究人员们正在探索更坚固且柔韧、更容易在生产线上进行处理的替代品;他们也在寻找更好的对纳米元件进行蚀刻的方法。

但卡帕索对此非常乐观,他说,一旦这一技术被我们掌握,很显然,我们可以将其用于智能手机的照相机里。现在,电池和镜头是导致智能手机很难变纤薄的主因,如果使用平面照相机镜头,智能手机可以做得“像信用卡一样纤薄”。而且,这种平面镜头也避免了玻璃镜头很容易产生的偏差,这意味着他们最新研制出的这种平面镜头有望被用来制造更好、无偏差的显微镜。

尽管这种镜头也会存在衍射极限的问题,但它们最终会变得很好。衍射极限指的是传统镜头无法捕获照射在物体上的比光的波长更小的“蛛丝马迹”。对于可见光来说,这一极限约为200纳米,但是,由“超材料”制成的“超级镜头”能超越这样的极限,这就使科学家们能够看到被拍摄对象亚波长范围内的信息,比如活体细胞内的病毒或不断发生变化的结构等。

其实,早在2005年,美国加州大学伯克利分校的物理学家张翔(音译)领导的研究团队就最先演示了一款概念性的“超级镜头”,其使用的“超材料”是由一层35纳米厚的银置于铬和塑料组成的纳米层中形成的纳米“三明治”。

从那时起,该研究团队的努力目标就是让这一“超级镜头”变得更加完美。功夫不负有心人,2007年,该研究团队研制出了一种更加精良的“超超级透镜”。这一“超超级透镜”由银、铝和石英等化合物层嵌套制成。这种镜头不仅能捕捉转瞬即逝的波,而且能放入传统的光学系统中使用,因此,科学家们或许能借助这一设备,通过标准的显微镜目镜查看到亚波长的细节。

可逆聚焦有助于制造更微小的结构

通过让传统的光学设备同由“超材料”制成的超级透镜和超超级透镜“联姻”,张翔希望最终能为这些设备找到除了显微镜之外的其他应用领域。就像这些结构能放大亚波长的细节,它们也能逆向运行,将光束导入亚波长的聚焦点,这一点对于使用影印石板术来制造微型结构非常重要。

如果超级透镜和超超级透镜能够做到这一点,那么,科学家们就可以使用超精细的光束来蚀刻目前还无法达到的更小结构,这将极大地增强光学设备的数据存储密度,也能使一块计算机芯片上驻扎更多元件。

史密斯对此比较谨慎,他强调称,与目前正在研发的其他先进平板印刷技术相比,超级透镜和超超级透镜趋向驱散更多光能。他表示,这使得它们成为“强大且富有竞争力但至今未能找到实际用途的技术”。不过,他也表示,张翔的尝试是“英雄般的实验,从根本上展示了‘超材料’所拥有的潜能”。

张翔也承认,对于超级透镜和超超级透镜来说,最好的时代还没有到来。但他相信,在未来几年,科学家们会对这些技术进行精炼和改进,让其变得更加实用。他说:“这些技术会给经济发展带来巨大影响。超材料、超级透镜将被证明真的具有创新性,对此,我持谨慎乐观的态度。我们如何处理和使用‘超材料’的唯一局限是我们的想象,只有想不到,没有做不到。”

文章来源:中国科技网-科技日报20131008


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