新颠覆未来作战的前沿技术系列之超材料

超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

新型材料颠覆传统理论

尽管超材料的概念出现在2000年前后，但其源头可以追溯到更早。1967年，苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界，使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现出有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出，就被科学界认为是“天方夜谭”。

随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。2000年，首个关于负折射率材料的报告问世；2001年，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料；2002年，美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果，被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后，超材料研究在世界范围内取得了多项成果，维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

现有的超材料主要包括：负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比，超材料主要有3个特征：一是具有新奇人工结构；二是具有超常规的物理性质；三是采用逆向设计思路，能“按需定制”。

负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性，电磁波在该介质中传播时，电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力，这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。

光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构，可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性，被认为是未来的半导体，对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。

“电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞，能够全向捕捉电磁波，引导电磁波螺旋式行进，直至被黑洞吸收，使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现，不仅将为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力。

频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构，由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输，已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中，也可用于反射面天线的负反射器，以实现频率复用 ，提高天线的利用率 。

工作的带宽，有效增强天线的聚焦性和方向性。

天线方面，雷神公司研发了超材料双频段小型化GPS天线，通过精确的人工微结构设计，可提升天线单元间的隔离度，减少天线原件之间的电磁耦合，从而使天线的带宽得到大幅拓展，其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。2011年2月，洛克希德·马丁公司与宾夕法尼亚大学联合开发了一种新型电磁超材料，可用于在喇叭形卫星天线上，使产品体积更小，制造成本更低，并能够显著提高航天器天线的性能。2014年，英国BAE系统公司开发出一种可用于无人机通信的超材料平面天线，可使电磁波在透过平面天线后进行聚焦，在实现对电磁波聚焦的同时保留了平面天线的宽带性能，克服了传统抛物面天线变为平面天线所带来的带宽损失、低增益等问题，同时可实现一个天线替换多个天线，减少天线的数量。这一技术突破可能使飞机、舰艇、卫星等天线的设计产生划时代的变革。

雷达天线罩方面，在美国海军的支持下，美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构，并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机，大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计，该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题，同时这种超材料电磁结构质量轻，方便后期的改装和维护，极大提高了E2“鹰眼”预警机的整体性能。

导弹天线罩方面，美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩，可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射，有效提高导弹打击精度。

用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域；高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域；高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年，美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究，可用于观察尺寸小于100纳米的物体，且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

结 语

超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上，最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料，一代装备”，创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇？不禁令人无限地遐想和期待。

责任编辑：葛 妍