“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(huì)很高興，但這不可能發(fā)生。現(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(dāng)媒體報(bào)道“超材料”領(lǐng)域取得的進(jìn)步時(shí)，似乎無法拒絕這一表達(dá)的神奇“魔力”，致使這樣的詞語不定期就會(huì)充斥各大媒體與觀眾見面。
物理學(xué)家德里斯科爾在“高智發(fā)明公司”工作，主要負(fù)責(zé)“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(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)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(xué)家們認(rèn)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(xué)圣地亞哥分校的物理學(xué)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(gè)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(dāng)于一粒豌豆這一實(shí)驗(yàn)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(shí)刻。
其實(shí)，英國帝國理工學(xué)院的約翰·潘德瑞爵士才是“超材料”的發(fā)明者。早在上世紀(jì)90年代中期，潘德瑞進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)就證明，一排細(xì)小的銅線和銅環(huán)對微波的折射率為負(fù)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(fù)折射理論。潘德瑞認(rèn)為，人眼之所以能看見物體，是因?yàn)楣饩€反射的緣故，而未來納米技術(shù)的發(fā)展，使科學(xué)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(xué)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(shí)，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(fù)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(gè)鼠標(biāo)大小的隱形罩，對科學(xué)家們來說都是一個(gè)比較大的目標(biāo)，研制出“隱身斗篷”至少需要數(shù)十年。
德里斯科爾也補(bǔ)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(dòng)”。因此，從現(xiàn)實(shí)情況出發(fā)，廉價(jià)的衛(wèi)星通訊設(shè)備、更纖薄的智能手機(jī)以及超快的光學(xué)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(fèi)者在使用“超材料”中受益，比如，在飛機(jī)上或從手機(jī)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(jī)與衛(wèi)星“通話”
今年1月，現(xiàn)在在美國杜克大學(xué)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(fù)責(zé)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(fèi)者的產(chǎn)品。這個(gè)相對來說比較廉價(jià)的設(shè)備會(huì)讓飛機(jī)、火車、輪船、汽車在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠(yuǎn)地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。
目前，這一天線的技術(shù)細(xì)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(hào)對準(zhǔn)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(gè)元件的屬性可以被設(shè)備內(nèi)置的軟件改變。當(dāng)天線正確地追蹤到衛(wèi)星時(shí)，各個(gè)“超材料”元件釋放出的波會(huì)互相加強(qiáng)并朝衛(wèi)星所在的方向擴(kuò)散，其他方向釋放出的波則會(huì)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(gè)地方，該天線都能追蹤到而不必像標(biāo)準(zhǔn)的碟形天線一樣總朝一個(gè)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(jì)劃對這一技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步地研究，在降低成本的同時(shí)保持其嚴(yán)苛的性能標(biāo)準(zhǔn)，以滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的要求。
Kymeta公司表示，這款天線計(jì)劃于明年推向市場，或許首先會(huì)在私人飛機(jī)和客機(jī)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(jì)劃為個(gè)人用戶開發(fā)便攜式衛(wèi)星接入設(shè)備。
“超材料”相機(jī)：讓機(jī)場安檢變得更方便
今年1月份，史密斯的團(tuán)隊(duì)宣布，他們已經(jīng)研發(fā)出了另外一款“超材料”設(shè)備：一臺(tái)不需要鏡頭或任何移動(dòng)零件就能制造出微波壓縮圖像的相機(jī)，這一設(shè)備或許有助于降低機(jī)場安檢的成本和復(fù)雜性。
在目前的機(jī)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(tái)微波傳感器進(jìn)行徹底掃描，這會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，必須要將其存儲(chǔ)起來，而杜克大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)研制出的設(shè)備則不需要存儲(chǔ)很多數(shù)據(jù)。該設(shè)備會(huì)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(dāng)微波被物體反射回來后，會(huì)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(huì)將一張被掃描物體的簡化快照傳輸進(jìn)一個(gè)傳感器內(nèi)，傳感器再對每幅快照發(fā)出的輻射總強(qiáng)度進(jìn)行測量，隨后輸出一系列數(shù)值，這些數(shù)值能被進(jìn)行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建出一張?jiān)撐矬w經(jīng)過高度壓縮的圖像。
不過，史密斯團(tuán)隊(duì)也承認(rèn)，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(fù)雜物體的三維圖像是科學(xué)家們面臨的巨大挑戰(zhàn)。但是，如果這一挑戰(zhàn)能被克服，機(jī)場或許會(huì)讓目前笨重且昂貴的安檢設(shè)備下崗，用大量纖薄廉價(jià)且同計(jì)算機(jī)緊密相連的“超材料”照相機(jī)來代替。德里斯科爾表示，這一轉(zhuǎn)變有望讓安檢掃描擴(kuò)展到機(jī)場的各個(gè)房間、過道、走道以及其他敏感的設(shè)施內(nèi)。
史密斯團(tuán)隊(duì)目前的主要目標(biāo)是研發(fā)出一種堅(jiān)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(fèi)者的照相機(jī)和顯示器內(nèi)。
史密斯研究團(tuán)隊(duì)的史蒂芬·拉潤徹表示：“要做到這一點(diǎn)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(diǎn)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(xué)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(xué)家們已經(jīng)開始著手設(shè)計(jì)一些能發(fā)揮作用的光學(xué)“超材料”元件。例如，今年3月份，美國南安普敦大學(xué)光電研究中心副主任、物理學(xué)家尼古拉·正路德福領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)，因?yàn)樵诠鈱W(xué)尺度上很難制造出三維“超材料”陣列并對其進(jìn)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(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家費(fèi)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(diǎn)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(gè)將平面光學(xué)用于商業(yè)產(chǎn)品的團(tuán)隊(duì)。”
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(diǎn)，而卡帕索團(tuán)隊(duì)研制出的鏡頭則讓光通過一個(gè)金“超材料”元件組成的二維陣列做到這一點(diǎn)。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(xué)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(diǎn)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(jiān)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(jiān)固且柔韌、更容易在生產(chǎn)線上進(jìn)行處理的替代品；他們也在尋找更好的對納米元件進(jìn)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(jī)的照相機(jī)里。現(xiàn)在，電池和鏡頭是導(dǎo)致智能手機(jī)很難變纖薄的主因，如果使用平面照相機(jī)鏡頭，智能手機(jī)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(huì)存在衍射極限的問題，但它們最終會(huì)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(xué)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(xì)胞內(nèi)的病毒或不斷發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)等。
其實(shí)，早在2005年，美國加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家張翔（音譯）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(shí)起，該研究團(tuán)隊(duì)的努力目標(biāo)就是讓這一“超級鏡頭”變得更加完美。功夫不負(fù)有心人，2007年，該研究團(tuán)隊(duì)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(xué)系統(tǒng)中使用，因此，科學(xué)家們或許能借助這一設(shè)備，通過標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡目鏡查看到亞波長的細(xì)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(xué)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(xì)節(jié)，它們也能逆向運(yùn)行，將光束導(dǎo)入亞波長的聚焦點(diǎn)，這一點(diǎn)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(diǎn)，那么，科學(xué)家們就可以使用超精細(xì)的光束來蝕刻目前還無法達(dá)到的更小結(jié)構(gòu)，這將極大地增強(qiáng)光學(xué)設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度，也能使一塊計(jì)算機(jī)芯片上駐扎更多元件。
史密斯對此比較謹(jǐn)慎，他強(qiáng)調(diào)稱，與目前正在研發(fā)的其他先進(jìn)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(qiáng)大且富有競爭力但至今未能找到實(shí)際用途的技術(shù)”。不過，他也表示，張翔的嘗試是“英雄般的實(shí)驗(yàn)，從根本上展示了‘超材料’所擁有的潛能”。
張翔也承認(rèn)，對于超級透鏡和超超級透鏡來說，最好的時(shí)代還沒有到來。但他相信，在未來幾年，科學(xué)家們會(huì)對這些技術(shù)進(jìn)行精煉和改進(jìn)，讓其變得更加實(shí)用。他說：“這些技術(shù)會(huì)給經(jīng)濟(jì)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(jǐn)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。”
