不一样的炫酷！超材料与自然材料的融合：非金属基超常电磁介质【荐书】

小柒 7年前 (2017-04-23) 6524浏览

在世界读书日之际，材料人（微信：icailiaoren）与科学出版社发起联合荐书活动，我们将向读者讲解某一领域的发展，并推荐该领域的优秀专著，本文推荐清华大学周济教授主编的《《超材料与自然材料的融合（第一卷）非金属基超常电磁介质》》，而正文也是周济老师写的关于本书的荐文。材料人致力于促进知识传播，为团队和期刊免费宣传学术工作，希望大家多多推荐优质书籍和论文，投稿请联系tougao@cailiaoren.com。

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进入21 世纪以来，超材料(metamaterials) 作为一种新的概念进入了人们的视野，引起了科技界、工业界和军工界的广泛关注，并成为跨越物理学、材料科学和信息科学等学科的活跃的研究前沿。

”Metamaterial" 一词是由美国得州大学奥斯汀分校Rodger M. Walser 教授于1999年提出的，用来描述自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料。2000 年以后，这一概念越来越频繁地出现在各类科学文献中，并迅速发展出跨越电磁学、物理学、材料科学等学科的前沿交叉学科和公认的新型功能材料分支。但目前对”metamaterial" 一词还没有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。一般都认为”metamaterial" 是”具有自然材料所不具备的超常物理性质的人工材料"，具有3 个重要特征：通常是具有新奇人工结构的复合材料；具有超常的物理性质；其性质往往不来源于构成该人工结构的材料自身，而仅仅决定于其中的人工结构。迄今已发展出的”metamaterial" 系统包括：左手材料(left-handed media)、隐身衣(invisible cloak)、非正定介质(inde-nitemedia) 等。

超材料研究的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出的革命性应用前景，使其得到了世界各国的密切关注，并且发达国家政府都投入了大量的财力开展相关的研究。2008 年，超材料被《今日材料》杂志评选为材料科学领域”50 年中的10项重大成果" 之一。2010 年，美国《科学》杂志又将超材料列为21 世纪前10 年自然科学领域的10 项重大突破之一。

超材料研究是一项意义深远的前沿课题。当代科学技术进步和经济发展越来越依赖于材料性能的提高。而常规材料的性能主要取决于材料的自然结构，包括原子结构、电子结构、分子结构、化学键结构、晶体结构、晶粒{晶粒晶界结构等。随着材料科学和技术的进步，对这些结构的操控能力逐渐增强，材料的性能不断提高，越来越趋近于材料的自然极限。因此，探索突破常规功能材料自然极限的新途径已成为材料科学发展中迫在眉睫的问题。

从材料学的角度看，超材料的设计摒弃了基于自然结构的材料基因，而通过人工结构重构材料基因。因此，”超材料" 的重要意义不仅仅体现在几类新奇的人工材料，它更提供了一种全新的思维方法，并为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，获得与自然材料具有迥然不同的超常物理性质的”新物质"。这为发展新型功能材料提供了一种新的途径。常规材料的性质主要决定于构成材料的基本单元及其结构，如原子、分子、电子、价键、晶格等。这些单元和结构之间相互关联，相互影响。因此，在材料的设计中需要考虑多种复杂的因素，这些因素的相互影响也往往是决定材料性能极限的原因。而将”超材料" 作为结构单元，则可望简化影响材料的因素，进而打破制约自然材料功能的极限，发展出自然材料所无法获得的新型功能材料。

众所周知，人类漫长的文明演进过程正是以材料的使用为标志的。按照历史唯物主义的观点，人类从类人猿进化出来的起点是旧石器时代，这个时代人们学会了使用天然材料；此后的新石器时代，人们开始学习掌握天然材料的加工技术；而到了青铜器时代，人们开始掌握从天然材料进一步合成新材料的技术，直到今天。这些合成材料是符合天然材料构造规律的材料，仍属于常规材料。而超材料的出现，则标志着一个新的历史纪元的开始。

如果把材料简单地划分为常规材料和超材料，可以看出这两类材料的界限是非常清晰的，无论是构造方法还是构造形式都完全不同。各自的优势和劣势不同|| 常规材料来自自然，易于获得而难于设计；超材料正好相反，易于设计，但在很多情况下却难于获得。为此我们提出了超材料与常规(自然) 材料融合的思想，旨在获得兼具超材料和自然材料优势的新型功能材料系统。这套专著正是在这种思想指导下的一些新型材料的设计与构筑实践。

作为第一部分，我们尝试利用自然材料的某些功能与结构，使其融合到超材料中，以解决常规的金属基超材料的高损耗、复杂结构、各向异性等问题。

超材料的主流技术是基于英国科学家Pendry 提出的LC 谐振单元阵列的金属图形结构。其中最为典型的人工结构单元的是Pendry 提出的金属开口谐振环(split ring resonators，SRRs)[3] 及其衍生结构(如型结构、U 型结构、双棒结构、渔网结构等)。随着超材料技术的发展，这类技术面临一系列挑战，如加工技术问题、物理学极限、材料学困难、各向异性问题以及可调性问题等。

近年来，我们试图将常规功能材料融合超材料系统突破上述问题。在国家“863”计划和国家自然科学基金重点项目等的支持下，我们在国际上率先开展了非金属基超材料的研究。我们从探索非金属材料和结构中的超常电磁响应的基本原理出发，利用非金属材料中丰富的电磁极化机制，初步建立了非金属基超材料的基本理论和设计原则，先后发展出了基于Mie 谐振、铁磁共振、晶格谐振、电子电磁偶极跃迁、强各向异性等机制的新型超材料和超常介质，降低了超材料的损耗，简化了材料结构，赋予材料以可调性，实现了与电子元器件技术的兼容，并在一定程度上解决了高频超材料难于设计和难于制备的难题，拓展了通过人工电磁结构与功能材料融合提高超材料性能、简化结构的途径。

超材料指的是一大类具有自然材料所不具备的超常物理性质的人工材料，同时也提供了一种构造具有超常功能材料的新方法。作者提出了超材料与自然材料融合的思想，旨在获得兼具超材料和自然材料优势的新型功能材料系统。这套专著是在这种思想指导下的一些新型材料的设计与构筑实践。本卷内容总结了作者课题组近年来在非金属基超常电磁介质构造方面的工作，即利用非金属自然材料的某些功能与结构，使其融合到超材料当中，以解决常规的金属基超材料的高损耗、复杂结构、各向异性等问题。重点介绍了一些典型非金属基超常介质的构筑原理、设计方法和研究结果。