“超材料”：生活中不可或缺
如果湯姆·德里斯科爾從來(lái)沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)“哈利·波特式的隱身斗篷”這樣的詞語(yǔ)，他應(yīng)該會(huì)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(yǔ)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(wú)法拒絕這一表達(dá)的神奇“魔力”，致使這樣的詞語(yǔ)不定期就會(huì)充斥各大媒體與觀眾見(jiàn)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(kāi)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(wú)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(lái)制造各種各樣的隱形裝置，這些裝置就像某些科幻小說(shuō)中提及的“隱形斗篷”那樣，能使物體周?chē)墓獾入姶挪?ldquo;繞道而行”，從而使物體變得不可見(jiàn)。
2000年，美國(guó)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(lái)，盡管史密斯等人對(duì)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(shū)特書(shū)的時(shí)刻。
其實(shí)，英國(guó)帝國(guó)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(duì)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(jiàn)物體，是因?yàn)楣饩€反射的緣故，而未來(lái)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(duì)“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(guò)，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(duì)于波長(zhǎng)更短的光，比如人眼適應(yīng)的可見(jiàn)光，還無(wú)能為力。也就是說(shuō)，這些“超材料”還無(wú)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(duì)科學(xué)家們來(lái)說(shuō)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(guó)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(mén)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(lái)的衛(wèi)星通信創(chuàng)業(yè)公司Kymeta希望向市場(chǎng)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(duì)來(lái)說(shuō)比較廉價(jià)的設(shè)備會(huì)讓飛機(jī)、火車(chē)、輪船、汽車(chē)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鞭長(zhǎng)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(lèi)人造材料，能夠控制電磁波，使射頻信號(hào)對(duì)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(wú)影無(wú)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(duì)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(chǎng)，或許首先會(huì)在私人飛機(jī)和客機(jī)上使用，如果市場(chǎng)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(yíng)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(kāi)發(fā)便攜式衛(wèi)星接入設(shè)備。
“超材料”相機(jī)：讓機(jī)場(chǎng)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(chǎng)安檢的成本和復(fù)雜性。
在目前的機(jī)場(chǎng)安檢內(nèi)，掃描設(shè)備必須對(duì)物體周?chē)蛭矬w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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之前，必須要將其存儲(chǔ)起來(lái)，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(zhǎng)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(lái)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(guò)。每塊元件會(huì)將一張被掃描物體的簡(jiǎn)化快照傳輸進(jìn)一個(gè)傳感器內(nèi)，傳感器再對(duì)每幅快照發(fā)出的輻射總強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)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(guò)高度壓縮的圖像。
不過(guò)，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(jiǎn)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)的各個(gè)房間、過(guò)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(chǎng)潛力的“超材料”設(shè)備，其并不局限于無(wú)線電、微波或紅外波長(zhǎng)。如果這一技術(shù)能同可見(jiàn)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(rùn)徹表示：“要做到這一點(diǎn)并不容易”。他解釋道，對(duì)于任何給定類(lèi)型的光波，只有元件及其之間的間隔比該光波的波長(zhǎng)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(zhǎng)越短，“超材料”元件的塊頭就應(yīng)該越小。
在光譜的微波和無(wú)線電區(qū)域內(nèi)，做到這一點(diǎn)相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較容易：這一范圍的波長(zhǎng)從幾分米到幾米不等；但一款光學(xué)的“超材料”元件的測(cè)量單位則低至微米以下。不過(guò)，拉潤(rùn)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(guò)，與這些從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)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(guò)軟件來(lái)按需改變其屬性，所以，這也大大增加了其制造難度。
“超級(jí)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(kāi)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(guó)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(kāi)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(duì)其進(jìn)行控制，所以，有些研究人員轉(zhuǎn)而開(kāi)始專(zhuān)注于研究二維的“超表面”。
2012年8月，美國(guó)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(shuō)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(guò)讓光穿過(guò)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(guò)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(lái)。金元件被固定，因此，裝配后不能再被調(diào)整。但是，通過(guò)在制造過(guò)程中選擇特定的大小和間距，物理學(xué)家們能讓給定波長(zhǎng)的光以精確的方式正確地聚焦到某一點(diǎn)上。
不過(guò)，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(duì)納米元件進(jìn)行蝕刻的方法。
但卡帕索對(duì)此非常樂(lè)觀，他說(shuō)，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?，F(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(lái)制造更好、無(wú)偏差的顯微鏡。
盡管這種鏡頭也會(huì)存在衍射極限的問(wèn)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(wú)法捕獲照射在物體上的比光的波長(zhǎng)更小的“蛛絲馬跡”。對(duì)于可見(jiàn)光來(lái)說(shuō)，這一極限約為200納米，但是，由“超材料”制成的“超級(jí)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(duì)象亞波長(zhǎng)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(guó)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(jí)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(jí)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(jí)透鏡”。這一“超超級(jí)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡目鏡查看到亞波長(zhǎng)的細(xì)節(jié)。
可逆聚焦有助于制造更微小的結(jié)構(gòu)
通過(guò)讓傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備同由“超材料”制成的超級(jí)透鏡和超超級(jí)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(zhǎng)的細(xì)節(jié)，它們也能逆向運(yùn)行，將光束導(dǎo)入亞波長(zhǎng)的聚焦點(diǎn)，這一點(diǎn)對(duì)于使用影印石板術(shù)來(lái)制造微型結(jié)構(gòu)非常重要。
如果超級(jí)透鏡和超超級(jí)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(lái)蝕刻目前還無(wú)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(duì)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(jí)透鏡和超超級(jí)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(jìng)爭(zhēng)力但至今未能找到實(shí)際用途的技術(shù)”。不過(guò)，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(duì)于超級(jí)透鏡和超超級(jí)透鏡來(lái)說(shuō)，最好的時(shí)代還沒(méi)有到來(lái)。但他相信，在未來(lái)幾年，科學(xué)家們會(huì)對(duì)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(shuō)：“這些技術(shù)會(huì)給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大影響。超材料、超級(jí)透鏡將被證明真的具有創(chuàng)新性，對(duì)此，我持謹(jǐn)慎樂(lè)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(méi)有做不到。”
