超材料—超越你的思维与想象

欧洲足球赛事 注：你是不是也曾幻想得到哈利波特的隐形斗篷呢？是不是也对隐形充满了好奇呢？那就一起来了解一下隐形背后的秘密—超材料吧。

“超材料吸引我已经很久了。倘使你并不太知道什么超材料，很简单，它就是让隐形斗篷成为现实的材料。不幸的是，我已厌倦了写关于隐形斗篷的发展历程，也早已停止了关注。”

以上是来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的Martin Wegener的2017年Physics@FOM会议的开场演讲。他在光学领域具有很高的声誉，但是为了这次演讲，他采用散射的方法来阐述超材料如何应用于实际，以及如何利用超材料设计新功能并引入其他简单的材料中，而这些材料将会应用到未来生活的几乎所有方面。

什么是超材料

超材料描述起来既非常简单又非常复杂。简单的层面来说是非常简单的：混合两种材料来得到一种具有特定性能的新材料。但如果借用Wegener的类比，想象我们拿两种材料，一种像铅一样致密，另一种则像空气一样稀疏。如果通过在铅棒中钻孔混合两种材料。最后新材料的密度会处于铅和空气中之间。但是对于超材料而言，这种结合能够实现神奇的性质——密度可以比铅的更大或者比空气更小。

这就是复杂性所在。没有材料的简单结合能做到这样。取而代之，你所必须考虑的问题则是你更为感兴趣的现象。在刚才密度的例子中，为了声波的传播我们也许会关心密度。为了创造一种特定的材料以发声，我们需要混合铅和空气，将其声波的波长控制在某一范围之内。

近些年来，得益于两个观点，超材料领域取得了突破。

空间弯曲

第一个想法源于广义相对论。在广义相对论中，我们认为空间是可以弯曲的，其曲率随物体质量增加。当飞过空间时，虽然是直线运动，但由于空间的曲率，在通过一个更重的物体时会沿着复杂的路径进行。换句话说：我总是采取两个位置之间的最短路径。在飞机上，这是一条直线；在弯曲的空间中，它是一个弯曲的轨迹。

这有什么帮助呢？想象一下，我想在空间中创建一些不可见的区域。为了防止光线与物体相互作用，我必须确保所有路径都围绕该区域弯曲，以使它看起来没有隐藏区域存在。广义相对论告诉我们这种表面的形状，并且电磁方程和广义相对论之间的联系告诉我们在空间中的每个点处需要什么材料特性才能产生与曲率等价的结果。

所以，原则上，所有以前难以想象的光路都可以被创建，包括隐形斗篷。

断层扫描没有用（不过别告诉你的医生）

第二个想法来自断层扫描。每当你从超声波获得3D图像时，图像都是利用被成像物体外部检测到的声波重新构建的。根据Wegener而言，在断层扫描中一个长期存在的问题是“这种重建是独一无二的吗？”

现在，因为它起作用，所以大家都相信这是独一无二的。但是几年前，数学家证明了这是绝对不可能的。证明的核心是无论空间如何弯曲或拉伸，方程的特定形式是会维持不变的。这意味着断层摄影重建可能被隐藏的区域欺骗。

关键方程无处不在：它适用于声波，热传播，光和量子力学。你命名物理学，而Wegener可能会告诉你这种类型的方程式如何出现。这样，理解拉伸空间的概念并把它应用到几乎任何领域的理想性质的产生都是非常容易的。然后，您可以使用此等价性来确定材料的属性如何变化，以获得预期的行为。

隐藏物体的运动

自从有这一启示以来，Wegener已经采取了各种各样的方式成功隐藏了很多东西。不只是在“嘿，这好酷”的方式中取得成功，也在“你能扩大它，并把它放在我的设备上吗？”的方法中获得成功。

有很多惊人的例子，我不想把它变成一个列表，所以我只讨论三个。Wegener展示了如何防止热量进入物体。现在你可以认为这只是绝缘，但事实上它不是。在绝缘体的边缘，存在一个温度梯度。这些梯度会以某种方式扭曲物体周围的温度场，如果你要测量温度，你会发现那必须是处于中间区域的对象。

由铜（高热导率）和塑料（低热导率）环组成的超材料，它引导隐藏的物体周围的能量流，使得在所有面上，温度梯度看起来就好像在热源和冷却槽之间没有物体一样。

你可能认为这没有太多的用途，但在许多情况下，一些不被允许过热的关键组件必须位于热源附近。对于热源的寿命，需要良好的导热性以清除热量。这种特殊材料在某种程度上实现了这一目标。它允许热量不受干扰地在其周围流动，并且不允许热量进入中心部分。

另一个例子和光相同。在这种情况下，外壳由高度散射和高度透明的材料组成。在几纳米的尺度上，想想夹在玻璃层之间的油漆层。该结构将引导包围外壳部分的光。这种技术是如此强大，它已经扩大到你可以握在手中的物体，而Wegener演示了在非实验室设置时工作的情况。然而，该演示涉及将物体放置在半透明介质中（认为是一个部分不透明的浴室窗口）。所以，这种情形下可以工作，但我认为它无法在一个清晰的窗口中工作。（提个醒，你是怎么知道并且想到它的呢，一旦他们把设备放在实验室的长凳上，他们又怎么再找到它呢？）

另一方面，这已经很好的应用，以使得覆盖在太阳能电池板前面的导电电极有用。 并且，在复杂的光学环境中，像大的OLED屏幕的前面，如果电极不是那么大，它也可能工作。

声波是更具挑战性的。这是因为固体材料支持三种类型的声波：材料内部声波前后移动的纵波（这些是穿过空气行进的类型）和声波从一侧到另一侧移动的两种类型的剪切波。这些只能穿过固体。问题是创建一个结构，只适用于一种类型的波，而对另外两种类型不起作用。关键问题是，如果纵波靠近掠射角，从观察者的视角来看，它既像剪切波又像纵波。所以任何材料都对所有波起作用。

为了使某物对声波起作用，Wegener必须创造一种不支持剪切波的固体材料。可以通过把针连接在一点上来创造一个晶格，不能按照旧的方法简单堆叠针，必须要以一种特定的结构（钻石状）。结果很好并且可以传输纵波。 然而，针连接的点不耐侧向运动，因此剪切波迅速消失。在边界和缺陷处产生的剪切波分量被结构吸收。

该材料还必须被构造成可以引导剩余的纵波。最后，你需要一个超材料中的超材料。 结果是，物体既屏蔽纵向波又屏蔽剪切波，其中纵波围绕物体传播好像物体不存在一样。

大胆展望

在演讲最后，Wegener概述了笔者之前写过的一些工作：使用巨型超材料来引导地震的表面波。显然，这项工作仍在进行中，并且看起来有希望。当时，我很怀疑。但是，考虑到这里提出的进展和这些设备没有超出制造极限的事实，我开始相信这项工作。

注：这份讲稿来自并发布在Physics@FOM, Veldhoven, 2017。

原文链接：Making an invisible, silent, and heat-proof cylinder—for science.

本文由材料人编辑部月亮提供素材，冯娜编译，丁菲菲审核，点我加入材料人编辑部。

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