周濟：能否利用「人工原子」重構世界？

最新 03-07

美國物理學家理查德·費曼

60多年前，美國著名物理學家費曼說過這樣一句話：「假如在某次大災難里，所有的科學知識都要被毀滅，只有一句話可以留存給新世代的生物，哪句話可以用最少的字包含最多的訊息呢？我相信那會是原子假說。」

原子是構成我們這個世界的基本單元，是決定物質性質和材料功能的關鍵因素。迄今為止人類所認識的原子都是自然賦予我們的。儘管化學元素周期表上的元素在數量依然有增加的可能，但自然原子的種類無疑是有限的。

左圖：原子結構示意圖右圖：元素周期表

能否通過人工方式去重構類似於原子的功能單元以獲得自然物質所不具備的性質呢？答案是肯定的！21世紀以來，一個新的概念橫空出世，那就是「超材料（metamaterials）」。超材料的定義是「利用人工結構單元實現的、具有自然材料所不具備的超常物理性質的人工材料」。在過去的十多年中，超材料的研究向人們展示出了其重構世界的潛力。

電磁波超材料

超材料思想最初發端於針對「負折射」理想實驗的物理實現。1967年，前蘇聯科學家維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關係將不再遵循作為經典電磁學基礎的「右手定則」，而呈現出與之相反的「左手關係」。這時電磁波的玻印亭矢量的方向與波矢方向相反，即相速度與群速度方向相反。這種物質將能夠顛覆光學世界，它能夠使光波看起來如同倒流一般，並且在許多方面表現得有違常理的行為，例如光的負折射、「逆行光波「、反常Doppler效應、倏逝波放大、無像差透鏡效應、以及負Cerenkov輻射等等。然而，眾所周知，同時具有負介電常數和負磁導率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的預言未能得到科學界的重視。直到20世紀90年代中後期，英國物理學家Pendry提出了實現低頻負有效介電常數和負有效磁導率的金屬線（wire）及開口諧振環（Split ring resonator, SRR）周期性人工材料模型，使實現左手材料成為可能。這種金屬線和開口諧振環可以認為是「人工原子」。這一設想於2000年被美國加州大學聖迭戈分校Smith課題組利用簡單的實驗進行了驗證，演示出微波波段負折射行為。左手材料的成功促進了超材料研究設想的形成，昭示人們可以在不違背基本的物理學基本規律的前提下，利用人工設計的「原子」，獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的「新物質」。

超材料用于飛機隱身

此後，藉助於Pendry提出的兩類「人工原子」及其衍生體，科學家先後發展出一系列具有奇異電磁波性質的超材料和器件，如完美透鏡、隱身衣、完美吸收體、人工電磁黑洞等具有超常特性的新型電磁波功能材料，並演示出了倏逝波放大、電磁誘導透明、高頻人工磁性、電磁懸浮等奇異物理特性。近10年來，超材料的設計思想從電磁領域延伸到熱學、聲學、力學等領域，潛在的應用領域涉及到從單個病毒的觀察到地震波的消除。超材料的發展及其影響引起了科技界、工業界以及軍事界的廣泛關注，入選《科學》雜誌21世紀前10年自然科學領域的10項重大突破，被《今日材料》雜誌評選為材料科學領域「50年中的10項重大成果」之一。

亞微米厚度的超材料透鏡

在人類漫長的歷史長河中，材料技術一直是重要的里程碑。人類因學會使用天然材料而進入而實現了由猿到人飛躍，進入了舊石器時代；因學會加工材料而進入了新時期時代；又因發明材料合成的方法而進入青銅器時代。今天，人類使用的絕大多數材料仍是合成材料。合成材料的基本結構和功能單元仍然是自然界賦予物質的結構，原子、分子、化學鍵、晶格等。隨著材料科學和技術的進步，對這些結構操控能力逐漸增強，材料的性能不斷提高，越來越趨近於材料性能的自然極限。因此，探索突破常規功能材料性能極限的新途徑已成為材料科學發展中迫在眉睫的問題。隨著超材料的出現，歷史可能掀開新的一頁。

比塑料輕薄卻比鋼鐵「強」十倍的力學超材料

超材料的設計摒棄了基於自然原子的材料基因，而通過人工結構重構材料基因，為新型功能材料的設計提供了一個廣闊的空間——昭示人們可以在不違背基本的物理學基本規律的前提下，獲得與自然材料具有迥然不同的超常物理性質的「新物質」。常規材料的性質主要來決定於構成材料的基本單元及其結構——原子、分子、電子、價鍵、晶格等。這些單元和結構之間相互關聯，相互影響。因此在材料的設計中需要考慮多種複雜的因素，這些因素的相互影響也往往是決定材料性能極限的原因。而將「超材料」作為結構單元，則可望簡化影響材料的因素，進而打破制約自然材料功能的極限，發展出自然材料所無法獲得的新型功能材料，人類或因此成為「造物主」。

基於思想實驗的超材料研究充滿了創新的機遇與與創意的美感，為科學原理在諸多領域的應用提供廣闊的空間，也為解決人類面臨的重大技術和工程問題提出了一種嶄新的思路。在中國，超材料研究一直得到社會各界廣泛的關注和政府強有力的支持。我國科學家在超材料領域開展了一系列有國際影響的工作。期待在開闢超材料時代的進程中，有更多中國科學家的貢獻。