“超材料”：生活中不可或缺
如果湯姆·德里斯科爾從來沒有聽說過“哈利·波特式的隱身斗篷”這樣的詞語，他應(yīng)該會很高興，但這不可能發(fā)生?，F(xiàn)在，“哈利·波特式的隱身斗篷”這樣的詞語已經(jīng)成為濫觴——當媒體報道“超材料”領(lǐng)域取得的進步時，似乎無法拒絕這一表達的神奇“魔力”，致使這樣的詞語不定期就會充斥各大媒體與觀眾見面。
物理學家德里斯科爾在“高智發(fā)明公司”工作，主要負責“超材料”的商業(yè)化開發(fā)和推廣工作。
“超材料”是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料，其能采用天然材料無法做到的方式彎曲、散射或傳輸電磁波。理論學家們認為，“超材料”能被用來制造各種各樣的隱形裝置，這些裝置就像某些科幻小說中提及的“隱形斗篷”那樣，能使物體周圍的光等電磁波“繞道而行”，從而使物體變得不可見。
2000年，美國加州大學圣地亞哥分校的物理學家戴維·史密斯和同事首次向公眾展示了“超材料”的神奇魔力：他們利用微波技術(shù)把一個直徑5厘米的銅制小圓筒成功地隱藏起來，盡管史密斯等人對隱形范圍只相當于一粒豌豆這一實驗結(jié)果并不滿意，但這仍然是“超材料”史上值得大書特書的時刻。
其實，英國帝國理工學院的約翰·潘德瑞爵士才是“超材料”的發(fā)明者。早在上世紀90年代中期，潘德瑞進行的實驗就證明，一排細小的銅線和銅環(huán)對微波的折射率為負數(shù)，而所有天然材料的折射率都為正，并在此基礎(chǔ)上提出了負折射理論。潘德瑞認為，人眼之所以能看見物體，是因為光線反射的緣故，而未來納米技術(shù)的發(fā)展，使科學家能夠研發(fā)出一種改變光線方向的材料，這就是“超材料”。
史密斯和潘德瑞的研究結(jié)果極大地誘發(fā)了科學家們對“超材料”的興趣，很多“超材料”研究人員希望能讓“隱形斗篷”早日成為現(xiàn)實，軍方也亟不可待地投入了大筆資金。
不過，迄今為止，研制出的“超材料”的魔力還十分有限：只在單層的二維材料上取得了成功；“負折射”特性也只出現(xiàn)在微波范圍。對于波長更短的光，比如人眼適應(yīng)的可見光，還無能為力。也就是說，這些“超材料”還無法制成在那種人眼前消失的“隱身斗篷”。目前，只是一個鼠標大小的隱形罩，對科學家們來說都是一個比較大的目標，研制出“隱身斗篷”至少需要數(shù)十年。
德里斯科爾也補充道，“超材料”領(lǐng)域的研究人員目前仍然面臨很多令人望而卻步的挑戰(zhàn)，其中最突出的是，找到便宜的方法，在納米尺度下制造出超材料元件并精確地控制其“一舉一動”。因此，從現(xiàn)實情況出發(fā)，廉價的衛(wèi)星通訊設(shè)備、更纖薄的智能手機以及超快的光學數(shù)據(jù)處理設(shè)備“有望成為超材料發(fā)揮最大影響力的地方”。
據(jù)悉，首塊由“超材料”制成的產(chǎn)品有望于明年面市，這也有望引發(fā)連鎖反應(yīng)，讓普通消費者在使用“超材料”中受益，比如，在飛機上或從手機那兒獲得更快、更便宜的互聯(lián)網(wǎng)連接。德里斯科爾表示，這樣的應(yīng)用也將有助于由“超材料”制成的產(chǎn)品從“人們生活中的新奇之物”變身為“生活中不可或缺之物”。
“超材料”天線：讓飛機與衛(wèi)星“通話”
今年1月，現(xiàn)在在美國杜克大學工作的史密斯成為高智發(fā)明公司“超材料”商業(yè)化部門的聯(lián)合負責人之一。他表示，首款由“超材料”制成的商業(yè)化產(chǎn)品最早將于明年上市。
從高智發(fā)明公司拆分出來的衛(wèi)星通信創(chuàng)業(yè)公司Kymeta希望向市場上推出一款緊湊型的天線，這或許是首款與“超材料”有關(guān)的面向普通消費者的產(chǎn)品。這個相對來說比較廉價的設(shè)備會讓飛機、火車、輪船、汽車在移動網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。
目前，這一天線的技術(shù)細節(jié)仍是秘密。據(jù)悉，這款天線基于“電磁超材料”。這是一類人造材料，能夠控制電磁波，使射頻信號對準衛(wèi)星，從而建立持續(xù)的寬帶連接。
該天線的核心是一塊平滑的電路板，其上包含有數(shù)千塊這種電磁“超材料”元件，每個元件的屬性可以被設(shè)備內(nèi)置的軟件改變。當天線正確地追蹤到衛(wèi)星時，各個“超材料”元件釋放出的波會互相加強并朝衛(wèi)星所在的方向擴散，其他方向釋放出的波則會相互抵消并消失得無影無蹤，這就使得不管衛(wèi)星在天空中的哪個地方，該天線都能追蹤到而不必像標準的碟形天線一樣總朝一個方向盯著一顆衛(wèi)星。
該公司表示，與目前廣泛使用的衛(wèi)星天線相比，采用這一技術(shù)研制的新“超材料”衛(wèi)星天線更輕、更薄、更便宜。Kymeta公司已經(jīng)向投資者和潛在的合作伙伴展示了這一技術(shù)，他們也計劃對這一技術(shù)進行更進一步地研究，在降低成本的同時保持其嚴苛的性能標準，以滿足監(jiān)管機構(gòu)的要求。
Kymeta公司表示，這款天線計劃于明年推向市場，或許首先會在私人飛機和客機上使用，如果市場反應(yīng)良好，他們希望將這一技術(shù)應(yīng)用于便攜式、能效高的衛(wèi)星通信產(chǎn)品內(nèi)，用于營救工作或研究領(lǐng)域。這些產(chǎn)品將廣泛應(yīng)用于航天、交通和海洋等領(lǐng)域，而且，該公司也計劃為個人用戶開發(fā)便攜式衛(wèi)星接入設(shè)備。
“超材料”相機：讓機場安檢變得更方便
今年1月份，史密斯的團隊宣布，他們已經(jīng)研發(fā)出了另外一款“超材料”設(shè)備：一臺不需要鏡頭或任何移動零件就能制造出微波壓縮圖像的相機，這一設(shè)備或許有助于降低機場安檢的成本和復雜性。
在目前的機場安檢內(nèi)，掃描設(shè)備必須對物體周圍或物體之上的一臺微波傳感器進行徹底掃描，這會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而在對這些數(shù)據(jù)進行處理之前，必須要將其存儲起來，而杜克大學的研究團隊研制出的設(shè)備則不需要存儲很多數(shù)據(jù)。該設(shè)備會朝物體以10次/秒的速度發(fā)送多種波長的微波束，從而為物體拍攝多張快照。當微波被物體反射回來后，會落在一條纖薄而狹窄的四方形銅質(zhì)“超材料”元件上，每一塊元件能被調(diào)諧，從而或阻止或讓反射的輻射通過。每塊元件會將一張被掃描物體的簡化快照傳輸進一個傳感器內(nèi)，傳感器再對每幅快照發(fā)出的輻射總強度進行測量，隨后輸出一系列數(shù)值，這些數(shù)值能被進行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建出一張該物體經(jīng)過高度壓縮的圖像。
不過，史密斯團隊也承認，這僅僅邁出了第一步。迄今為止，展示出的圖像都很粗糙，只是簡單的金屬物體的二維圖像。德里斯科爾表示，獲得復雜物體的三維圖像是科學家們面臨的巨大挑戰(zhàn)。但是，如果這一挑戰(zhàn)能被克服，機場或許會讓目前笨重且昂貴的安檢設(shè)備下崗，用大量纖薄廉價且同計算機緊密相連的“超材料”照相機來代替。德里斯科爾表示，這一轉(zhuǎn)變有望讓安檢掃描擴展到機場的各個房間、過道、走道以及其他敏感的設(shè)施內(nèi)。
史密斯團隊目前的主要目標是研發(fā)出一種堅固且有市場潛力的“超材料”設(shè)備，其并不局限于無線電、微波或紅外波長。如果這一技術(shù)能同可見光合作，它們將變得更有用，可以用于光纖通訊或面向消費者的照相機和顯示器內(nèi)。
史密斯研究團隊的史蒂芬·拉潤徹表示：“要做到這一點并不容易”。他解釋道，對于任何給定類型的光波，只有元件及其之間的間隔比該光波的波長小，“超材料”才能施展和發(fā)揮它們神奇的能力。因此，我們使用的波長越短，“超材料”元件的塊頭就應(yīng)該越小。
在光譜的微波和無線電區(qū)域內(nèi)，做到這一點相對來說還比較容易：這一范圍的波長從幾分米到幾米不等；但一款光學的“超材料”元件的測量單位則低至微米以下。不過，拉潤徹表示，這也并非不可能，今天的高性能微芯片內(nèi)就包含有僅僅幾十納米寬的零件，不過，與這些從本質(zhì)上來說靜止不變的零件不同，很多應(yīng)用領(lǐng)域里使用的“超材料”元件需要通過軟件來按需改變其屬性，所以，這也大大增加了其制造難度。
“超級鏡頭”能平面聚焦
盡管存在不少困難，但科學家們已經(jīng)開始著手設(shè)計一些能發(fā)揮作用的光學“超材料”元件。例如，今年3月份，美國南安普敦大學光電研究中心副主任、物理學家尼古拉·正路德福領(lǐng)導的研究團隊發(fā)表文章稱，他們新研制的納米“超材料”零件由電控制，能顯著提升傳輸或反射光波的能力，這些超材料零件由金薄膜蝕刻而成，這種設(shè)備有望成為高速光纖通訊網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)。
與此同時，因為在光學尺度上很難制造出三維“超材料”陣列并對其進行控制，所以，有些研究人員轉(zhuǎn)而開始專注于研究二維的“超表面”。
2012年8月，美國哈佛大學的實驗物理學家費德里科·卡帕索展示了一款平面的“超材料”鏡頭，其能像玻璃鏡頭那樣，將紅外線聚焦到一點上?？ㄅ了鞅硎荆?ldquo;我不敢說這完全是新鮮事物，但我相信，我們是全球首個將平面光學用于商業(yè)產(chǎn)品的團隊。”
傳統(tǒng)鏡頭通過讓光穿過不同厚度的玻璃產(chǎn)生的折射從而讓光聚焦到一點，而卡帕索團隊研制出的鏡頭則讓光通過一個金“超材料”元件組成的二維陣列做到這一點。這一“超材料”元件陣列由為微芯片工業(yè)而研發(fā)的電子束光刻技術(shù)從一塊60納米厚的硅晶圓上蝕刻出來。金元件被固定，因此，裝配后不能再被調(diào)整。但是，通過在制造過程中選擇特定的大小和間距，物理學家們能讓給定波長的光以精確的方式正確地聚焦到某一點上。
不過，卡帕索警告稱，這樣的平面鏡頭距離商用或許仍然要等上數(shù)十年。部分原因在于，硅本身是一種堅硬且易碎的材質(zhì)，不容易蝕刻，為此，研究人員們正在探索更堅固且柔韌、更容易在生產(chǎn)線上進行處理的替代品；他們也在尋找更好的對納米元件進行蝕刻的方法。
但卡帕索對此非常樂觀，他說，一旦這一技術(shù)被我們掌握，很顯然，我們可以將其用于智能手機的照相機里?，F(xiàn)在，電池和鏡頭是導致智能手機很難變纖薄的主因，如果使用平面照相機鏡頭，智能手機可以做得“像信用卡一樣纖薄”。而且，這種平面鏡頭也避免了玻璃鏡頭很容易產(chǎn)生的偏差，這意味著他們最新研制出的這種平面鏡頭有望被用來制造更好、無偏差的顯微鏡。
盡管這種鏡頭也會存在衍射極限的問題，但它們最終會變得很好。衍射極限指的是傳統(tǒng)鏡頭無法捕獲照射在物體上的比光的波長更小的“蛛絲馬跡”。對于可見光來說，這一極限約為200納米，但是，由“超材料”制成的“超級鏡頭”能超越這樣的極限，這就使科學家們能夠看到被拍攝對象亞波長范圍內(nèi)的信息，比如活體細胞內(nèi)的病毒或不斷發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)等。
其實，早在2005年，美國加州大學伯克利分校的物理學家張翔（音譯）領(lǐng)導的研究團隊就最先演示了一款概念性的“超級鏡頭”，其使用的“超材料”是由一層35納米厚的銀置于鉻和塑料組成的納米層中形成的納米“三明治”。
從那時起，該研究團隊的努力目標就是讓這一“超級鏡頭”變得更加完美。功夫不負有心人，2007年，該研究團隊研制出了一種更加精良的“超超級透鏡”。這一“超超級透鏡”由銀、鋁和石英等化合物層嵌套制成。這種鏡頭不僅能捕捉轉(zhuǎn)瞬即逝的波，而且能放入傳統(tǒng)的光學系統(tǒng)中使用，因此，科學家們或許能借助這一設(shè)備，通過標準的顯微鏡目鏡查看到亞波長的細節(jié)。
可逆聚焦有助于制造更微小的結(jié)構(gòu)
通過讓傳統(tǒng)的光學設(shè)備同由“超材料”制成的超級透鏡和超超級透鏡“聯(lián)姻”，張翔希望最終能為這些設(shè)備找到除了顯微鏡之外的其他應(yīng)用領(lǐng)域。就像這些結(jié)構(gòu)能放大亞波長的細節(jié)，它們也能逆向運行，將光束導入亞波長的聚焦點，這一點對于使用影印石板術(shù)來制造微型結(jié)構(gòu)非常重要。
如果超級透鏡和超超級透鏡能夠做到這一點，那么，科學家們就可以使用超精細的光束來蝕刻目前還無法達到的更小結(jié)構(gòu)，這將極大地增強光學設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲密度，也能使一塊計算機芯片上駐扎更多元件。
史密斯對此比較謹慎，他強調(diào)稱，與目前正在研發(fā)的其他先進平板印刷技術(shù)相比，超級透鏡和超超級透鏡趨向驅(qū)散更多光能。他表示，這使得它們成為“強大且富有競爭力但至今未能找到實際用途的技術(shù)”。不過，他也表示，張翔的嘗試是“英雄般的實驗，從根本上展示了‘超材料’所擁有的潛能”。
張翔也承認，對于超級透鏡和超超級透鏡來說，最好的時代還沒有到來。但他相信，在未來幾年，科學家們會對這些技術(shù)進行精煉和改進，讓其變得更加實用。他說：“這些技術(shù)會給經(jīng)濟發(fā)展帶來巨大影響。超材料、超級透鏡將被證明真的具有創(chuàng)新性，對此，我持謹慎樂觀的態(tài)度。我們?nèi)绾翁幚砗褪褂?lsquo;超材料’的唯一局限是我們的想象，只有想不到，沒有做不到。”
