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科技创新

新材料界功不可没,具有“超”能力的超材料

新材料界功不可没,具有能力的超材料

长久以来,人类尝试打破、控制自然规律来获得科学突破,超材料的思想基础正式基于此。在不违背基本的物理学规律之下,利用人工技术,制造于自然界中物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”,这就是超材料。 超材料诞生于21世纪,随着传统材料设计思想的局限性日益暴露,发展超越常规材料性能极限的材料成为材料设计新思路。超材料指的是一类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,它们拥有一些传统材料无法实现的特殊性质,比如让光、电磁波改变它们的通常性质。实际上,超材料是一个跨学科的课题,其涵盖的范围极广,并不是单单某一种物质的相关材料而已,比如电子工程、材料科学、半导体学、纳米科技等等都与超材料有所交集。

超材料的种类 “左手材料”、“超磁性材料”、“光子晶体”、“金属水”等都属于超材料,这里简单介绍几种常见的超材料:

1、自修复材料:也称为自愈合材料。与生物体损伤后自我修复的机理类似,自修复材料在受到损坏后,可以通过材料体内嵌的“修复液”进行化学反应达到稳定来修复自身的效果。

2、热电材料:是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及环境污染和能源危机日益严重的今天,需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统,热电材料在这些方面很有应用前景。

3、钙钛矿:和晶体硅一样,可以用来制作太阳能电池的替代材料。根据数据,这种由钙钛矿制作的太阳能转化率在20092014年间从3.8%提升至19.3%,因此也被科学家认为其未来性能有继续提升的可能。

4、气凝胶:又叫干凝胶,也被称为蓝烟或冻结的烟,具有超轻质、极低热导率、高热稳定性、高吸附性、高吸能、隔音等特性,还具有膨胀作用、触变作用、离浆作用,这使其不仅具有良好的延展性,还拥有透气、防火、吸收油和水的优良性质。

5Stanene材料:这是一种具有100%导电率的材料,与石墨烯结构类似,是由锡原子构成的单原子层材料。根据张首晟教授在2013年的理论化模型可知,Stanene是一种边缘为导体而内部是绝缘体的拓扑绝缘体,在室温以下就可以零阻力导电。 6、光操纵材料:光操纵超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射,它或许真的可以让物体隐形。根据制作方式和材料的不同,超材料还能散射微波、无线电波、和不太为人所知的T射线。实际上,任何一种电磁频谱都能被超材料所控制

超材料的应用案例 超材料在通信、医学、国防、航天航空、遥感等诸多领域有所应用。 隐身材料:军事领域是超材料产业化较早的应用领域之一,超材料首先在隐身方面实现了规模化应用。自上个世纪80年代以来,美国、欧盟以及日本等发达国家积极研发隐身超材料以提升作战能力,由此带动了超材料在武器装备隐身领域中的应用产业化发展步伐以及市场规模扩大,各国对武器装备中的隐身技术应用的投入也逐渐加大。 超材料超透镜:利用超材料进行早期癌细胞检测技术也已展开探索。Natalia Litchinitser教授及其团队设计了一款可进行单个分子成像和癌细胞检测的透镜——超材料超透镜。这种超材料超透镜能将渐散的光波转化成能被标准设备收集传播的光线,继而突破散射的限制。例如在现有医疗条件下,对卵巢或腺体肿瘤活体切片组织中的单个癌细胞的早期检测还难以实现,但是超材料超透镜的使用就能够打破这一困局。

4D打印:3D打印技术无处不在,而4D打印已经在路上了。出于制造反应更灵敏、适应性更强材料的需要,“4D打印”成了材料领域一个新的研究热点。根据机械力、温度、磁场等外部条件的变化,4D打印材料会随时间推移而改变形状或功能。随着科学家将一种名为磁场反应机械超材料(FRMM)应用到4D打印中,用来展示可编程、可预测和高度控制的机械性能变化,且具有大动态范围和快速可逆的响应,方便应用远程磁场。

超材料发展现状 超材料优异的特性以及革命性应用前景,吸引了美国、中国、欧洲、俄罗斯、日本等多国政府及波音、雷神等机构的关注。如今,超材料已成为全球范围内的热门前沿高技术之一,相关研究已涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。 目前,全球超材料技术主要集中于中国、美国、日本、韩国、英国、德国。

我国至今已有相关专利4718相,其次是拥有3210项专利的美国,日本和韩国分别拥有3017项和1077项专利紧随其后。 我国虽然开始超材料技术研发较晚,但是政府一直对超材料技术高度关注,在863计划、973计划、“十三五”规划纲要以及国家自然科学基金等科技计划中予以立项支持,也正因如此,我国在超材料研究领域中内取得了骄人成绩。 结语:关于超材料的研究与应用随着科技的提升不断深化发展,在多领域内扮演了不可替代的角色。作为一种由人工力量突破传统材料性质界限来获得更出色表现的超级材料,超材料也为各行业带来了新的应用启发,推动了科研进展。新材料的诞生往往可能带给行业震动,我们期待着超材料在日后的表现。

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资料参考:新材料智库、百度百科、前瞻产业研究院