編者按

超材料是一類利用人工結構作為功能單元構筑的新型材料，可實現自然材料無法獲得的新性能，得到了世界各國的高度重視。超材料是世紀之交誕生的一個新的科學概念，基于這一概念，在過去的十幾年中發展出一系列具有奇異特性的新型人工材料系統，可望在諸多領域產生顛覆性技術。

中國工程院院士、清華大學周濟教授研究團隊在中國工程院院刊《中國工程科學》2018年第6期發表《超材料技術及其應用展望》一文。文章從工程應用出發對超材料技術的形成和發展做了簡述，總結了過去超材料在幾個典型領域，如隱身、電子元器件及機械減震系統中取得的重要突破，預測了可能導致顛覆性技術的方向，如超材料透鏡技術、超材料全光調控技術，以及超材料與常規材料的融合等，并對超材料技術未來發展的難點和戰略思路提出了建議。

一、前言

超材料是世紀之交誕生的一個新的科學概念。基于這一概念，在過去的十幾年中發展出了一系列具有奇異特性的新型人工材料系統，可望在諸多領域產生顛覆性技術。超材料技術被美國國防部列為“六大顛覆性基礎研究技術”之一，并先后被評選為材料科學領域“50年中的10項重大成果”之一和21世紀前10年10項重大突破之一。

“超材料”一詞最初由美國德克薩斯州大學奧斯汀分校Rodger M. Walser教授提出，用來描述自然界不存在的、人工制造的、三維的、具有周期性結構的復合材料。盡管各種科學文獻給出的定義也各不相同，但一般都認為“超材料”是具有通過人工結構作為基本功能單元、能夠實現自然材料不具備的超常物理性質的人工材料。近年來，典型的超材料如左手材料、“隱身斗篷”、完美透鏡等已在光學、通信、國防等應用領域漸露頭角，而為數眾多的電磁超材料、力學超材料、聲學超材料、熱學超材料以及基于超材料與常規材料融合的新型材料相繼出現，形成了新材料的重要生長點。

二、超材料的實現方法——以左手材料為例

左手材料是一類典型的超材料，這類材料的設計和實現對超材料思想的形成起到了關鍵作用。

左手材料的源頭可追溯到科學家Veselago于1968年提出的一個思想實驗。他預測，如果有某種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，電磁波在該材料中傳播時的電場矢量、磁場矢量以及波矢量之間的關系將不再遵循經典電磁學中的“右手定則”，而呈現出與之相反的“左手關系”，這時材料中電磁波的波動方向和能量傳播方向相反，并表現出一系列有違常理的行為，例如光的負折射、反常多普勒效應、倏逝波放大、完美透鏡效應，以及反常切連科夫輻射等。然而，眾所周知，同時具有負介電常數和負磁導率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的預言在相當長的時間內未能得到科學界的重視。直到20世紀90年代中后期，英國物理學家Pendry的工作使左手材料的研究出現了柳暗花明的前景，并導致了超材料這一新概念的形成。

Pendry等1996年預言了由金屬線構成的陣列可在諧振頻率附近產生出宏觀反常介電常數的性質，1998年又提出通過人工設計具有開口的金屬開口諧振環結構（SRR）陣列實現反常有效磁導率。基于上述思路，2000年，Smith等利用電路板加工方法，制備了金屬線與SRR結構陣列復合結構，直接觀測到了微波頻段的左手性電磁波透射通帶和負折射行為（見圖1）。

圖1 基于金屬線與SRR結構陣列復合結構的左手材料

左手材料的實現改變了人們的一些固有觀念，昭示人們可以在不違背物理學基本規律的前提下，通過人工功能單元的設計，獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”。從材料科學的角度看，超材料的意義遠遠超越了左手材料等幾種人工材料本身，它提供了一種全新的材料獲取方法，即針對需求進行逆向設計，通過設計“人工材料基因”來構建材料的功能。

三、若干重要研究和工程應用進展

超材料的重大科學價值及其在諸多應用領域呈現出革命性的應用前景得到了世界各國政府、科技界、產業界，以及國防部門的密切關注。美國國防部啟動了關于超材料的多項研究計劃，美國大型的半導體公司如英特爾、美國超威半導體（AMD）和國際商業機器公司（IBM）等也成立了聯合基金資助相關研究。歐盟組織了50多位頂尖的科學家聚焦這一領域的研究，并給予高額經費支持。日本在經濟低迷之際出臺了一項研究計劃，支持至少兩個關于超材料技術的研究項目，每個項目的研究經費約為30億日元。超材料的研究和工程化應用在近年來得到了迅速發展。

在電磁超材料方面，科學家對各種電磁諧振結構進行了優化，發展出了多種基于金屬線和SRR環的衍生結構以及介質結構的人工原子，并設計研制出了隱身斗篷、完美透鏡等新型超材料器件；與此同時，將微納加工技術引入到了超材料的制備，發展出了可在光學頻段下工作的各種超材料和器件。近年來，超材料也從電磁領域逐漸走向了力學、聲學、熱學以及傳質等領域，一系列具有超常性質和奇異功能的新型超材料相繼問世。

（一）超材料“隱身斗篷”

2006年，Pendry等發表了關于設計電磁隱身衣的新方法。他們指出，具有特定磁導率和介電常數分布的超材料可以控制電磁波傳播，并干擾電磁波的傳播軌跡，使其發生彎曲。因此，可以利用電磁超材料制備的套型裝置，引導電磁波繞過目標物體之后返回原始的傳播軌跡，給觀察者造成一種物體不存在的假象，可以使放置在其內部的物體“隱身”，不被外界探測到。在此基礎上，Schurig等對材料的參數進行了簡化，實驗驗證了世界上首個超材料隱身衣，從隱身衣外部無法探測到隱身衣內部物體的信息，實現了完美隱身。近年來，科學家對超材料隱身衣技術做了進一步的改進和優化，以期獲得隱身性能更好、頻帶更寬、超材料結構更輕薄的超材料系統（見圖2）。

圖2 超材料隱身斗篷原理示意圖

與傳統隱身技術相比，超材料隱身的特點是靠導引電磁波，而不是靠吸收電磁波，因此沒有目標影子，是國防軍工領域的一項顛覆性技術，得到了各國軍工界的廣泛重視。目前，基于超材料隱身斗篷技術已開始在軍事裝備中獲得應用。

（二）基于超材料的新型無源電子元器件

電磁介質是無源電子元器件的材料基礎和技術核心。傳統的無源元件基于常規介質材料，介電常數和磁導率均為大于1的正值，且不會特別高。超材料技術可以實現具有負值、超低或超高介電常數或磁導率的人工電磁介質，為一些具有變革性的新型無源電子元器件的出現提供了條件。

天線是超材料應用的較為成功的一類器件。利超材料超常的電磁性質和高度可設計的特點，人們成功地開發出多種具有高性能、能滿足各種特殊要求的天線，實現了天線的小型化、高效、高增益、共型化、高信號選擇性等。例如，Ziolkowski等提出了基于超材料的天線空間匹配的概念，可有效地抵消電抗，提高天線的輻射效率，同時通過空間耦合成為天線的寄生輻射元增益，可將天線尺寸大幅縮小，輻射效率大幅提高。利用復合左/右手（CRLH）傳輸線結構設計出的天線，借助于零階諧振，天線的尺寸可以任意地小。利用零折射率超材料的出射面趨近平行于法線的方向射入自由空間的特性，可以有效地使電磁波匯聚，提高陣列天線的方向性和增益。目前，在通信等領域的一些天線中已融合了超材料技術。

在無源集成領域，筆者首次提出了基于負介電常數的無繞線電感技術。利用平板電容結構，以負介電常數材料作為介質產生類似于電感器的交流響應，有效解決了無源集成模塊中電感器復雜的繞線結構占據大量布線空間、導致復雜工藝及對周圍元器件產生漏磁干擾的問題。

（三）超材料減震技術

機械/聲學超材料近年來發展迅速，這類超材料有迫切的工程需求。機械超材料是對各種力學作用做出超常響應的人工材料，按所調控的彈性模量不同可分為超強、超硬超材料，可調節剛度超材料，負壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和智能超流體。利用這些超常力學性質，可以開發出很多應用功能，其中一個成功的工程應用領域是減震和降噪。目前常用超材料實現減震降噪的方案很多，其中一個方案是利用電磁波“隱身斗篷”類似的坐標變換原理，將受保護物體利用特殊設計的力學超材料包覆起來，使機械波繞開物體。這一思路也被用于大型建筑及城市的地震防護。此外，利用具有負泊松比（受到拉力時發生側向膨脹）超材料和負剛度超材料的組合，科學家成功地研制出了能夠抑制許多不同頻率的振動的新型防震結構，可望應用于運送早產兒的車輛上。

四、值得關注的顛覆性技術

（一）超材料透鏡

超材料透鏡是一類典型的顛覆性技術。傳統透鏡受到衍射極限的約束限制，光學器件無法對尺度小于半個工作光波長的物體成像，其深層物理原因是常規介質中倏逝波的衰減。2000年，Pendry在理論上提出了負折射材料可以用于制作超透鏡的想法，并證明了當介質的介電常數為負數時，電磁波中的倏逝波成分會被放大，其中所攜帶的信息就可以在負折射率介質材料中傳播。由負折射材料制備的平板具有成像的功能，物體發射出的光線會經負折射率平板前后界面兩次折射后重新匯聚在一起，進而實現無衍射極限的成像（見圖3）。

圖3 超透鏡原理示意圖

近年來，各種超透鏡的設計層出不窮，由于在超材料加工上的困難，對于可見光頻段的超透鏡在實驗方面進展較慢。2015年，Sun等設計并研制出了一種可進行單個分子成像和癌細胞檢測的透鏡——超材料超透鏡，可將光學內視鏡的成像分辨率從10 000 nm提高至250 nm或更好。最近，Arbabi等開發了一種新型平面光學透鏡系統，該系統可以實現批量生產，并且還能與圖像傳感器進行集成，可望用于小型化的相機和顯微鏡中，并擴展其功能和操作方式。

超材料透鏡在生物、材料、微電子學、光學工程領域都有急切的要求。可以對病毒和DNA分子、細胞以及各種材料的顯微結構等在自然環境中進行直接觀察。同時，基于超材料的完美透鏡可實現亞波長尺度的光刻，一旦實現將使微電子加工技術水平大幅度提高，從而進一步延續集成電路的摩爾定律。

（二）全光信息元器件

全光信息技術是信息技術發展的重要方向，是突破電子技術“摩爾定律”物理極限的主要途徑。盡管這一技術原理已趨于完善，但在實際應用中面臨著一系列器件的實現問題，其中作為邏輯光路的核心部件的全光開關器件是光信息技術的主要難點。常規全光開關借助于光學非線性過程，需要較高（遠高于信號）的驅動光功率（非線性閾值），同時材料內部結構的改變和弛豫過程需要相對較長的響應時間（開啟和關閉時間）。高閾值功率和低響應速度是全光開關技術走向應用的主要障礙。

超材料為構筑新型全光開關器件提供了新的可能性。筆者首次提出了一種基于超材料中模態耦合的全光開關的設計思想：利用介質超材料中人工原子可承載多個諧振模態的特性，通過兩束電磁波導致的電磁諧振模態發生相互耦合，改變通過材料的信號波傳播特性，進而實現全光調制。由于這種新機制無需通過非線性光學過程參與，所獲得的全光開關器件將具有低開關閾值和極高的開關速度，從根本上解決制約光開關技術的兩大核心問題，即開關閾值和開關速度問題，從而突破全光信息技術的瓶頸（見圖4）。

圖4 超材料全光開關原理示意圖

（三）超材料與常規材料的融合

超材料是一種特殊的材料。超材料與常規材料相比，其界面非常清晰，超材料的功能主要來源于人工結構，與源于自然結構的常規材料完全不同。兩類材料的優勢和劣勢完全相反，常規材料源于自然，易于獲得，但難于設計和剪裁；超材料則剛好相反，易于設計和剪裁，但不容易獲得。鑒于此，筆者提出了通過超材料與常規材料的融合構建新型功能材料的概念，并在此基礎上發展出了介質基電磁超材料、本征型超材料介質及若干種基于超材料原理的“常規材料”（見圖5）。

圖5 超材料與常規材料的融合

超材料與常規材料的融合能夠發展出一些新的材料，為突破常規材料的性能極限開辟了新的道路。常規材料的性能主要取決于材料的自然結構，如原子結構、電子結構、分子結構、化學鍵結構、晶體結構、晶粒–晶界結構等。隨著材料科學和技術的進步，人們對這些結構的操控能力逐漸增強，材料的性能不斷提高，越來越趨近于材料的自然極限。同時，自然單元和結構間的相互關聯和相互影響，也決定了人們無法隨心所欲地對材料性能進行精準操控。超材料結構單元簡單，易于被操控，因此可望成為突破常規材料功能極限的一種途徑。

超材料與常規材料的融合也是超材料走向工程化應用的一個捷徑。狹義的超材料是具有常規材料所不具備性質的人工材料，盡管其性能極具吸引力，但真正形成對應的產業技術尚需要一個發育期。而利用超材料的方法構筑具有優異性能的“人工常規材料”，則可望借助已有的工業技術系統，將超材料迅速推向工程化。

五、技術難點及政策建議

超材料的應用可能導致眾多領域的技術變革，目前這些技術變革正處于醞釀階段，值得密切關注和期待。作為一大類全新的材料系統，從超材料的研發到產生顛覆性技術需克服一系列技術障礙。主要體現在以下幾點。

（1）超材料的模擬設計技術。目前超材料的研究以原理性探索為主，模擬仿真技術基于簡單模型和通用的模擬軟件，而實際應用的器件設計需要考慮多種服役因素、多場耦合和海量計算，各種超材料的專用設計技術尚需進一步發展。

（2）超材料的制備技術。超材料制備需要精密的材料加工，特別是一些電磁超材料（如太赫茲以上頻率的電磁超材料）的制備依賴于相關加工技術的進步。

（3）大尺寸超材料的工程可行性和服役性能。超材料由大量的人工結構單元構成，這種單元陣列的可工程化及其服役性能（如機械性能、熱性能等）是其應用的難點，例如，利用電磁斗篷實現軍事目標的完美隱身需要在其外面包覆較厚的超材料“鎧甲”，如何將其減薄是一個重要難題。

為推動超材料技術的發展，建議采用以下措施：

（1）加強對超材料及其工程化領域的研發投入。在國家和地方各類科研計劃中提高對超材料研究的投入。面向技術路線清晰的重大需求，啟動相關研究專項，通過示范性研發，帶動通用技術的完善。

（2）通過政策引導推動超材料產業鏈的形成。將超材料應用列入國家產業發展計劃，培育基于超材料的新型高新技術產業的形成和發展，鼓勵超材料向信息技術、常規材料、能源、國防軍工、精密儀器等領域滲透。

（3）重視超材料與常規材料的融合。加快建立超材料應用的標準體系，重點發展基于超材料思想和常規功能的新型材料系統，推動這些超材料走向傳統工業領域，形成顛覆性技術。

（4）重視超材料的科普工作。通過多種方式，使科技界、工業界以及公眾對超材料的科學意義和應用價值有更全面的理解，增強全社會對這一新興顛覆性技術的重視，提高企業和國防部門對超材料應用的積極性。