第44卷 第7期 材料工程 Vol.44 No.7 2016年7月第119-128页 Journal of Materials Engineering Jul.2016pp.119-128 智能超材料研究与进展 特约 Research Advance in Smart Metamaterials 于相龙，周济 (清华大学材料学院新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室，北京100084) YU Xiang-long.ZHOU Ji (State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing.School of Materials science eand Engineering.Tsinghua University.Beijing 100084.China) 摘要：本文以智能超材料关健技术为主线，基础研究和新产品研发为辅，简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋 势。根据智能超材料所调控激元的不同，可分为智能电磁超材料，智能机城超材料，智能热学超材料，智能帮合超材料 此外两项关健技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程，这些智能超材料在科学基础研 究方面涉及超材料中多物理场祸合机制，新型人工原子与人工分子设计，超材料与自然材料的脸合，超材料可调性探索 和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域，如微型天线及无 线互联，光电磁隐身，医学图像上用的完美成像，航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮，精密仪器制程与片上实验室集成 型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势，本文进行了系统性的分类厘清，并分析了其研究现状，给出 了我国智能超材料发展的美好愿景。 关键词：超材料：光学超材料：机械超材料：热学超材料：智能锅合超材料 doi:10.11868/5j.ism.1001-4381.2016.07.020 中图分类号：TB34:TB图81文献标识码：A文章编号：1001-4381(2016)07-0119-10 Abstract:Metamaterials,man-made materials,enable us to design our own"atoms",and thereby to create materials with unprecedented effective properties that have not yet been found in nature.Smart metamaterial is one of those that is an intelligent perceptive to the changes from external environments and having the capability to respond to thermal and mechanical stimuli.This paper car providea review on these smart met in perspectiv e of science,engineering and industrial products.We divide smart metamaterials according to what they are tuning into:optical,mechanical thermal and coupled smart metamaterials.The rest of two techniques we addressed are modelling/ simulation and fabrication/gene engineering.All of these types smart materials presented here are as sociated with at least five fundamental research:coupled mechanism of multi-physics fields,man-made upledwithaturalmaierials,umnbiyofmeanaterials and mechanism of sensing metamaterials.Therefore.we give a systematic overview of various potem tial smart metamaterials together with the upcoming challenges in the intriguing and promising re search field. Key words:metamaterial:optical metamaterial:mechanical metamaterial:thermal metamaterial smart coupled metamateria 智能材料泛指能够感知外界环境并做出响应的 其源于光学超材料，到声学、热学及力学超材料。之 材料。智能超材料除具备这一特性外，与传统功能材 初，人们希塑能够像控制固体中电了的传输行为一样 料不同之处在于，通过特殊的微结构设计来调制电硒 来控制和利用光子，使得光子最终能成为一种有用的 被和弹性被，展示出均匀材料所不具备的，新颗奇异的 信息载体。光作为信息载体在传播速率、信息容量以 力、热、声、光学性能，尤其是这此性质主要来自人工 及能量损耗等方面优越于电子，极有可能在信息技术 的、特殊的结构设计。就像新生儿来到这个世界上，从 和产业发展中起重要作用，因而如何实现对光子的调 第一眼看见，亲耳听见，亲手去触摸这个世界，直到心 控变得尤为重要与紧迫，光学超材料应运而生，图1简 灵的感知体悟，人工智能超材料也经历了相似的演进 略演示光学超材料一些新奇的电磁现象，随着对光学 1994-2018 China Aeademic Joumal Electronic Publishing House. All rights reserved http://www.cnki.ne
第４４卷 ２０１６年７月 第７期 第１１９－１２８页 材 料 工 程 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．４４ Ｊｕｌ．２０１６ Ｎｏ．７ ｐｐ．１１９－１２８ 檼檼檼檼 檼 檼檼檼 殥 殥 殥 殥 智能超材料研究与进展 特 约 ＲｅｓｅａｒｃｈＡｄｖａｎｃｅｉｎＳｍａｒｔＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ 于相龙，周 济 （清华大学 材料学院 新型陶瓷材料与精细工艺国家重点实验室，北京 １０００８４） ＹＵ Ｘｉａｎｇ－ｌｏｎｇ，ＺＨＯＵＪｉ （ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＮｅｗＣｅｒａｍｉｃｓａｎｄＦｉｎｅＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｓｃｈｏｏｌｏｆ ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ） 摘要：本文以智能超材料关键技术为主线，基础研究和新产品研发为辅，简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋 势。根据智能超材料所调控激元的不同，可分为智能电磁超材料，智能机械超材料，智能热学超材料，智能耦合超材料， 此外两项关键技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程。这些智能超材料在科学基础研 究方面涉及超材料中多物理场耦合机制，新型人工原子与人工分子设计，超材料与自然材料的融合，超材料可调性探索 和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域，如微型天线及无 线互联，光电磁隐身，医学图像上用的完美成像，航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮，精密仪器制程与片上实验室集成 型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势，本文进行了系统性的分类厘清，并分析了其研究现状，给 出 了我国智能超材料发展的美好愿景。 关键词：超材料；光学超材料；机械超材料；热学超材料；智能耦合超材料 ｄｏｉ：１０．１１８６８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４３８１．２０１６．０７．０２０ 中图分类号：ＴＢ３４；ＴＢ３８１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－４３８１（２０１６）０７－０１１９－１０ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｍａｎ－ｍａｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｎａｂｌｅｕｓｔｏｄｅｓｉｇｎｏｕｒｏｗｎ “ａｔｏｍｓ”，ａｎｄｔｈｅｒｅｂｙｔｏ ｃｒｅａｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｕｎｐｒｅｃｅｄｅｎｔｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｔｈａｔｈａｖｅｎｏｔｙｅｔｂｅｅｎｆｏｕｎｄｉｎｎａｔｕｒｅ．Ｓｍａｒｔ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｉｓｏｎｅｏｆｔｈｏｓｅｔｈａｔｉｓａｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｅｒｃｅｐｔｉｖｅｔｏｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍｅｘｔｅｒｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ａｎｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｈａｖｉｎｇｔｈｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙｔｏｒｅｓｐｏｎｄｔｏｔｈｅｒｍａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｉｍｕｌｉ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅａｒｅｖｉｅｗｏｎｔｈｅｓｅｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ．Ｗｅｄｉｖｉｄｅｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｗｈａｔｔｈｅｙａｒｅｔｕｎｉｎｇｉｎｔｏ：ｏｐｔｉｃａｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ， ｔｈｅｒｍａｌａｎｄｃｏｕｐｌｅｄｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｒｅｓｔｏｆｔｗｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｅａｄｄｒｅｓｓｅｄａｒｅｍｏｄｅｌｌｉｎｇ／ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ／ｇｅｎｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ａｌｌｏｆｔｈｅｓｅｔｙｐｅｓｓｍａｒｔｍａｔｅｒｉａｌｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｈｅｒｅａｒｅａｓ－ ｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈａｔｌｅａｓｔｆｉｖｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ：ｃｏｕｐｌｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｕｌｔｉ－ｐｈｙｓｉｃｓｆｉｅｌｄｓ，ｍａｎ－ｍａｄｅ ｄｅｓｉｇｎｆｏｒａｔｏｍ／ｍｏｌｅｃｕｌａｒ，ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ， ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｅｎｓｉｎｇｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅｇｉｖｅａｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｖａｒｉｏｕｓｐｏｔｅｎ－ ｔｉａｌｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｕｐｃｏｍｉｎｇｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｔｈｅｉｎｔｒｉｇｕｉｎｇａｎｄｐｒｏｍｉｓｉｎｇｒｅ－ ｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｔｈｅｒｍａｌ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ； ｓｍａｒｔｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ 智能材料泛指能够感知外界环境并做出响应的 材料。智能超材料除具备这一特性外，与传统功能材 料不同之处在于，通过特殊的微结构设计来调制电磁 波和弹性波，展示出均匀材料所不具备的，新颖奇异的 力、热、声、光学 性 能，尤其是这些性质主要来自人工 的、特殊的结构设计。就像新生儿来到这个世界上，从 第一眼看见，亲耳听见，亲手去触摸这个世界，直到心 灵的感知体悟，人工智能超材料也经历了相似的演进， 其源于光学 超 材 料，到 声 学、热 学 及 力 学 超 材 料。之 初，人们希望能够像控制固体中电子的传输行为一样 来控制和利用光子，使得光子最终能成为一种有用的 信息载体。光作为信息载体在传播速率、信息容量以 及能量损耗等方面优越于电子，极有可能在信息技术 和产业发展中起重要作用，因而如何实现对光子的调 控变得尤为重要与紧迫，光学超材料应运而生，图１简 略演示光学超材料一些新奇的电磁现象。随着对光学
120 材料工程 2016年7月 Zha al Nat Mater (2008 Electromagnetic cloaking ar-nerfect imanine Valentine et alNature(200 Negative refractive index Optical attractors 图1光学超材料呈现自然界不营出现的负折射，超透镜、光学隐身的奇异特性口-习 Fig.1 Optical metamaterials show some counterintuitive properties,negative refractive index.superlens and optical cloaking- 超材料研究的深入，超材料也被拓展到对声和其他 表1给出了本文在智能超材料基础研究、关键技 元激发的调控领域，如弹性波方面的声学超材料，机 术和新产品应用三个层面上所要论述的要点。在科学 械超材料和热学超材料等其他具有奇异特性的智能 研究层面上智能超材料的基础研究涉及：(1)超材料中 超材料。结合传统的凝聚态物质材料科学与各种新 多物理场辐合机制，即利用微结构单元间的多物理场 刑微纳米加技术，面向下一代信息与新能技术 耦合效应去实现超材科的智能响应：(2)新型人工原了 超材料正成为当今微结构材料科学中新学科的 与人工分子设计，即通过构透新型功能单元实现超常 沿。 响应：(3)超材料与自然材料的融合，即利用天然功能 鉴于超材料具有高度的可设计性，为发展各类新 材料的智能性质与超几何结构融合，以实现超常现象 型智能材料提供了理想的材料平台。目前发展出的超 的探索和设计以及新机制的发现：(4)超材料可调性探 材料主要是一些被动型材料，如具有超常介电常数 导率，折射率的材料等，而在智能材料方面的应用尚行 索，即基于可变电路、几何结构、材料特性，对随加信号 相位，振幅或频率的调制，改变超 财料的热、力学和电 开发。尽管如此，智能超材料所涉及的内容依然很 磁性质：(5)新型传感型超材料探素，即基于超材料对 ,是一大类新型功能材料的总称，包括一此光学招材 电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性， 料、声学超材料（与弹性振动被相应，用于操纵和利用 可用于无标记的生物检测及相关方面的研发，根据微 声子传播)、力学超材料（吸声介质，超黏滞材料），热学 结构单元类型和应用范围的不同，智能超材料的关键 超材料（调控热能的传输与转换）、声子品体（超高精度 技术可分为以下六大重点方向：(1)智能电磁 超材 控制单个声子，进面对动态温差调控)等。故而，本文 利用微结构单元类似于计算机的0/1开关属性，进行 尝试若从科学研究、关键技术和新产品应用三个层而！ 非周期阵列，以实现编程可控的响应输出：(2)智能机 对智能超材料研究应用进行简要概述和厘清，并概略 根超材料，三维网状金属固体结构，却类似于理想流 述其在国内外的研究发展状况和趋势 体，极易流动，从而实现二维流体的响应性能：(3)智能 表】智能超材料在科学，技术和新产品应用层面的论述要点 Table 1 An outline of smart metamaterials from the aspeetsof science.technology and products Coupled mechani of mut-phyfields Smart optical metamateriala Micro antena and wireles internet Design for m Metamaterials coupedithnaurameri Perfect imaging in medical science Coupled s anism ot sensing me 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
材料工程 ２０１６年７月 图１ 光学超材料呈现自然界不曾出现的负折射、超透镜、光学隐身的奇异特性［１－９］ Ｆｉｇ．１ Ｏｐｔｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｓｈｏｗｓｏｍｅｃｏｕｎｔｅｒｉｎｔｕｉｔｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ：ｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ，ｓｕｐｅｒｌｅｎｓａｎｄｏｐｔｉｃａｌｃｌｏａｋｉｎｇ［１－９］ 超材料研究 的 深 入，超 材 料 也 被 拓 展 到 对 声 和 其 他 元激发的调控领域，如 弹 性 波 方 面 的 声 学 超 材 料，机 械超材料和热学超材料等其他具有奇异特性的智能 超材料。结合传统的 凝 聚 态 物 质 材 料 科 学 与 各 种 新 型微纳米加工技术，面向下一代信息与新能源技术， 超材料正成为当今微结构材料科学中新学科的前 沿。 鉴于超材料具有高度的可设计性，为发展各类新 型智能材料提供了理想的材料平台。目前发展出的超 材料主要是一些被动型材料，如具有超常介电常数、磁 导率、折射率的材料等，而在智能材料方面的应用尚待 开发。尽管如此，智能超材料所涉及的内容依然很广 泛，是一大类新型功能材料的总称，包括一些光学超材 料、声学超材料（与弹性振动波相应，用于操纵和利用 声子传播）、力学超材料（吸声介质，超黏滞材料）、热学 超材料（调控热能的传输与转换）、声子晶体（超高精度 控制单个声子，进而对动态温差调控）等。故而，本文 尝试着从科学研究、关键技术和新产品应用三个层面， 对智能超材料研究应用进行简要概述和厘清，并概略 阐述其在国内外的研究发展状况和趋势。 表１给出了本文在智能超材料基础研究、关键技 术和新产品应用三个层面上所要论述的要点。在科学 研究层面上智能超材料的基础研究涉及：（１）超材料中 多物理场耦合机制，即利用微结构单元间的多物理场 耦合效应去实现超材料的智能响应；（２）新型人工原子 与人工分子设计，即通过构造新型功能单元实现超常 响应；（３）超材料与自然材料的融合，即利用天然功能 材料的智能性质与超几何结构融合，以实现超常现象 的探索和设计以及新机制的发现；（４）超材料可调性探 索，即基于可变电路、几何结构、材料特性，对施加信号 相位、振幅或频率的调制，改变超材料的热、力学和电 磁性质；（５）新型传感型超材料探索，即基于超材料对 电磁场局域增强及对周围环境的介电性敏感等特性， 可用于无标记的生物检测及相关方面的研发。根据微 结构单元类型和应用范围的不同，智能超材料的关键 技术可分为以下六大重点方向：（１）智能电磁超材料， 利用微结构单元类似于计算机的０／１开关属性，进行 非周期阵列，以实现编程可控的响应输出；（２）智能机 械超材料，三维网状金属固体结构，却 类 似 于 理 想 流 体，极易流动，从而实现二维流体的响应性能；（３）智能 表１ 智能超材料在科学，技术和新产品应用层面的论述要点 Ｔａｂｌｅ１ Ａｎｏｕｔｌｉｎｅｏｆｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｎｏ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ １ Ｃｏｕｐｌｅｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｍｕｌｔｉ－ｐｈｙｓｉｃｓｆｉｅｌｄｓ Ｓｍａｒｔｏｐｔｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｍｉｃｒｏａｎｔｅｎｎａａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｉｎｔｅｒｎｅｔ ２ Ｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍｅｔａ－ａｔｏｍ／ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｍａｒｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｌｏａｋ ３ Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｕｐｌｅｄｗｉｔｈｎａｔｕｒａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｍａｒｔｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｅｒｆｅｃｔｉｍａｇｉｎｇｉｎｍｅｄｉｃａｌｓｃｉｅｎｃｅ ４ Ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｏｕｐｌｅｄｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｍａｒｔｓｋｉｎ ５ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｅｎｓｉｎｇｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｓｍａｒｔｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌａｂｏｎａｃｈｉｐ ６ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｇｅｎｅ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２１０
第44卷第7期 智能超材料研究与进展 121 热学超材料，可感知外部热源、主动响应的人工复合材 计与仿真技术，制备技术与材料基因工程。鉴于智能 料及结构，潜在应用于微纳米结枸的热电转换：(4)容 超材料的新颖特性，可广泛应用于微型天线及无线互 能耦合超材料，基于光子电路，通过亚波长尺度人工结 联、光电磁隐身、医学完美成像、国防民用各种交通工 构实现局域电磁场调控与位移矢量调控；(5)智能超材 具的智能蒙皮、其他精密仪器制备和片上实验室等不 料新型设计与仿点技术：(6)智能超材料制备技术与材 同前沿领域。 料基因工得。最后，在新产思研发应用中，可分为1) 11智能由琳超材料 微型天线及无线互联(2)光电磁隐身：(3)医学图像 智能的电磁 :调控又包括数字可编程超材 用的完美成像：(4)航空航天和交通车辆所用的智能蒙 料]、计算超材料、光开关超材料。这类智能 皮：（⑤）精密仪器制程与片上实验室集成型超材料。因 超材料利用其微结构单元类似于计算机的0/1开关 此，本文将以智能超材料的关键技术为主线，基础研究 属性，进行非周期阵列，以实现编程可控的响应输 和新产品研发为辅，简要地论述近年来智能超材料的 出，如图2所示。可记忆超材料则类似于忆阻器 发展现状趋势。 不同的是基于 花子电路，通过亚波长尺度人工结构 实现局域电磁场调控，以实现在光电路中可记忆功 1智能超材料研究概述 能元器件的研发。智能电磁超材料涉及电磁多物理 场摄合机制，可采用不同的谐振结构单元实现[)，图 1968年Veselago首次提出“负折射率”的概 3演示了常用作为“人工原子”的亚波长微结构共振 念)，具有这种负折射率性质的平板材料可以像透镜 一样，使得平行入射光线汇聚到一点)。这与直觉相 1.2智能机械超材料 悖的研究结果拉开了超材料研究的序幕、超材料正品 机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过 基于其微结构单元的几何结枸与物性，如共振与激发 程中，可以看做是弹性的激发初始的人工材料设计 形状因子与手性等，以及它们空间排列所导致的关联 按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料，可 与相互作用，从而实现许多自然材料所没有的，新颖的 调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀，拉胀超材料 力、热、声、光等调控功能特性。从研究比较深入的光 和智能超流体。其中智能超流体，工业技术上又称为 学申磁超材料，到声学、热学，及现在的机械超材料，超 “会屈水”，其本身是一种三维的几何拓扑网状金属固 材料理论机制方面涉及电磁、机电、光热 光机等多物 体结构，而其切模量近似于零，从而实现二维流体的 理场耦合，几何结构的实现方面多用金属谐振结构、介 响应性能。 最具代表性的五模式材料（如图4），该 质谐振结构、声波诺振和非谐振人工原子及分子，目 材料6个分量等效弹性张量中有5个为0的本征值 前科学基础研究主要考虑如何将现有超材料与自然材 (只有1个非0)，也就是横向几乎没有形变，类似于理 料相融合，实现超材料在不同频段的可调性，开发有源 想流体，难以压缩却极易流动。鉴于这种超材料极具潜 器件，从而不断深入地开发出新型的传感型超材料 力，科研人员将这一研究成果开发用于海底“无轴成”斗 相应地，超材料的微结构单元设计的任意性，物理过程 篷隐身技术四，如图5所示，也有研究者正在研制用于 的多样性，不同尺度的特殊性，派生出来了新型理论设 隐身的智能蒙皮材料。 、0 Fig.2 The I-bit digital m .03d1b)n natch unit structure《ine1 realize the·Ond1 ements and the c two l-bit periodie coding metasurfaces to control the scattering of beams by designing the coding sequepces ofo'and1'elements 1994-2018Chin Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
第４４卷 第７期 智能超材料研究与进展 热学超材料，可感知外部热源、主动响应的人工复合材 料及结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换；（４）智 能耦合超材料，基于光子电路，通过亚波长尺度人工结 构实现局域电磁场调控与位移矢量调控；（５）智能超材 料新型设计与仿真技术；（６）智能超材料制备技术与材 料基因工程。最后，在新产品研发应用中，可分为（１） 微型天线及无线互联；（２）光电磁隐身；（３）医学图像上 用的完美成像；（４）航空航天和交通车辆所用的智能蒙 皮；（５）精密仪器制程与片上实验室集成型超材料。因 此，本文将以智能超材料的关键技术为主线，基础研究 和新产品研发为辅，简要地论述近年来智能超材料的 发展现状趋势。 １ 智能超材料研究概述 １９６８ 年 Ｖｅｓｅｌａｇｏ 首 次 提 出 “负 折 射 率 ”的 概 念［１０］，具有这种负折射率性质的平板材料可以像透镜 一样，使得平行入射光线汇聚到一点［１１］。这与直觉相 悖的研究结果拉开了超材料研究的序幕。超材料正是 基于其微结构单元的几何结构与物性，如共振与激发、 形状因子与手性等，以及它们空间排列所导致的关联 与相互作用，从而实现许多自然材料所没有的，新颖的 力、热、声、光等调控功能特性。从研究比较深入的光 学电磁超材料，到声学、热学，及现在的机械超材料，超 材料理论机制方面涉及电磁、机电、光热、光机等多物 理场耦合，几何结构的实现方面多用金属谐振结构、介 质谐振结构、声波谐振和非谐振人工原子及分子。目 前科学基础研究主要考虑如何将现有超材料与自然材 料相融合，实现超材料在不同频段的可调性，开发有源 器件，从而不断深入地开发出新型的传感型超材料。 相应地，超材料的微结构单元设计的任意性，物理过程 的多样性，不同尺度的特殊性，派生出来了新型理论设 计与仿真技术、制备技术与材料基因工程。鉴于智能 超材料的新颖特性，可广泛应用于微型天线及无线互 联、光电磁隐身、医学完美成像、国防民用各种交通工 具的智能蒙皮、其他精密仪器制备和片上实验室等不 同前沿领域。 １．１ 智能电磁超材料 智能 的 电 磁 波 调 控 又 包 括 数 字 可 编 程 超 材 料［１２］、计算 超 材 料［１３］、光开 关 超 材 料［１４］。这 类 智 能 超材料利用其微结 构 单 元 类 似 于 计 算 机 的０／１开 关 属性，进 行 非 周 期 阵 列，以实现编程可控的响应输 出，如图２所示。可记忆超材料［１５］则类 似 于 忆 阻 器， 不同的是基 于 光 子 电 路，通过亚波长尺度人工结构 实现局域电 磁 场 调 控，以实现在光电路中可记忆功 能元器件的研发。智 能 电 磁 超 材 料 涉 及 电 磁 多 物 理 场耦合机制，可采用不同的谐振结构 单 元 实 现［１６］，图 ３演示了常 用 作 为“人 工 原 子”的 亚 波 长 微 结 构 共 振 单元。 １．２ 智能机械超材料 机械超材料源于声学超材料弹性波的传播行为过 程中，可以看做是弹性的激发初始的人工材料设计。 按所调控的弹性模量不同可分为：超强超硬超材料，可 调节刚度超材料，负压缩性超材料，反胀、拉胀超材料 和智能超流体。其中智能超流体，工业技术上又称为 “金属水”，其本身是一种三维的几何拓扑网状金属固 体结构，而其剪切模量近似于零，从而实现二维流体的 响应性能。最具代表性的五模式材料［１８］（如图４），该 材料６个 分 量 等 效 弹 性 张 量 中 有５个 为０的 本 征 值 （只有１个非０），也就是横向几乎没有形变，类似于理 想流体，难以压缩却极易流动。鉴于这种超材料极具潜 力，科研人员将这一研究成果开发用于海底“无触感”斗 篷隐身技术［１９］，如图５所示，也有研究者正在研制用于 隐身的智能蒙皮材料。 图２ 具有０／１开关属性的数字可编程超材料进行智能电磁波调控［１２］ （ａ）数字超平面０／１构成；（ｂ）结构单元及其响应；（ｃ），（ｄ）利用两种不同的结构形式去调控光束散射 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ１－ｂｉｔｄｉｇｉｔａｌｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｏｄｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ［１２］ （ａ）ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｅｌｅｍｅｎｔｓ：‘０’ａｎｄ‘１’；（ｂ）ａｓｑｕａｒｅｍｅｔａｌｌｉｃ ｐａｔｃｈｕｎｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ｉｎｓｅｔ）ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅ‘０’ａｎｄ‘１’ｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｐｈａｓｅｒｅｓｐｏｎｓｅｓｉｎａｒａｎｇｅｏｆｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ；（ｃ），（ｄ） ｔｗｏ１－ｂｉｔｐｅｒｉｏｄｉｃｃｏｄｉｎｇｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｏｆｂｅａｍｓｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｔｈｅｃｏｄｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆ‘０’ａｎｄ‘１’ｅｌｅｍｅｎｔｓ ２１１
122 材料工程 2016年7月 参晚影. Dielectri 图3一些人工电酷材料的结构示意图可 Fig3 Various3D photonic-metmaterrre 图4智能超流体)()外形()上下直径不问相连按的双圆单元 Fig.Pentamode me 《s)overview;(b》oblique-vie 智能机械超材料种类紧多，目前大部分在研究阶 段四。在力学上“可编程”的超材料，其实像是一块多 孔的橡胶板，经过特殊孔型及拓扑设计，可以在纵向和 描向上讲行压缩表现出所增“负府”或是刚度可调 的性质。因此，这种智能机械超材料可以有效地吸 收能量，可用于减震的汽车保险杠，或是根据不同地形 调整舒适度的鞋子。还有其他反胀材料，如反弹陶瓷 管制品，在被压缩到50%之后还能反弹复原。这对于 脆性氧化铝陶瓷材料来说，将具有相当广泛的应用前 echaniealcloak: 1.3智能热学超材料 智能热学超材料是近年来才提出的新型热能利 terial environment.any object can be placed inside of 用和调控的智能材料。自然界中的传统材料，其热 the hollow interior and thereby becomes"unfeelable-( 导系数在空间均匀分布，热量从温度高的一端直线 流向度低的一器这是人们所孰知的热传导式 然而，如果能实现空间热导系数的非均匀分布，通过 对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实现对热流方 能材料。这种设计可有效吸收和减弱声波的反射信 向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非 号，从而显著提高潜挺的隐身能力但这种智能超材 均匀分布的材料被称为热超材料22)。智能热学超 料并不仅仅是为了使物休隐形，其目的是将物体的物 材料是可感知外部热源主动响应的人工复合材料及 理作用力隐藏起米，使物体无法被人感觉到。这种 结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。 般可分 别的智能超材料是一种在某些性质上类似液体的固体 为两大类：控制热流和利用热能：用声子进行信息传输 品格，能够使外部施加的压力发生偏转，同时可以转移 和处理2。图6为基于隐热衣研制开发的热伪装器 破坏性较大的地霉被0) 件。 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
材料工程 ２０１６年７月 图３ 一些人工电磁材料的结构示意图［１７］ Ｆｉｇ．３ Ｖａｒｉｏｕｓ３Ｄｐｈｏｔｏｎｉｃ－ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［１７］ 图４ 智能超流体［１８］ （ａ）外形；（ｂ）上下直径不同相连接的双圆锥单元 Ｆｉｇ．４ Ｐｅｎｔａｍｏｄｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ［１８］ （ａ）ｏｖｅｒｖｉｅｗ；（ｂ）ｏｂｌｉｑｕｅ－ｖｉｅｗ 图５ “无触感”斗篷隐身技术理念，智能超材料将圆柱 体隐匿起来，使其无法被手指感觉到［１９］ Ｆｉｇ．５ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌａｓｔｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｌｏａｋ：ａｒｉｇｉｄｈｏｌｌｏｗ ｃｙｌｉｎｄｅｒｅｍｂｅｄｄｅｄｉｎａｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｅｎｔａｍｏｄｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｙｏｂｊｅｃｔｃａｎｂｅｐｌａｃｅｄｉｎｓｉｄｅｏｆ ｔｈｅｈｏｌｌｏｗｉｎｔｅｒｉｏｒａｎｄｔｈｅｒｅｂｙｂｅｃｏｍｅｓ“ｕｎｆｅｅｌａｂｌｅ”［１９］ 与此同时，俄罗斯雷洛夫国家研究中心进行工业 化研制，开发了拥有定制化设计的结构和密度分布智 能材料。这种设计可有效吸收和减弱声波的反射信 号，从而显著提高潜艇的隐身能力。但这种智能超材 料并不仅仅是为了使物体隐形，其目的是将物体的物 理作用力隐藏起来，使物体无法被人感觉到。这种特 别的智能超材料是一种在某些性质上类似液体的固体 晶格，能够使外部施加的压力发生偏转，同时可以转移 破坏性较大的地震波［２０］。 智能机械超材料种类繁多，目前大部分在研究阶 段［２１］。在力学上“可编程”的超材料，其实像是一块多 孔的橡胶板，经过特殊孔型及拓扑设计，可以在纵向和 横向上进行压缩，表现出所谓“负刚度”或是刚度可调 的性质。因 此，这 种 智 能 机 械 超 材 料 可 以 有 效 地 吸 收能量，可用于减震的汽车保险杠，或是根据不同地形 调整舒适度的鞋子。还有其他反胀材料，如反弹陶瓷 管制品，在被压缩到５０％之后还能反弹复原。这对于 脆性氧化铝陶瓷材料来说，将具有相当广泛的应用前 景。 １．３ 智能热学超材料 智能热学 超 材 料 是 近 年 来 才 提 出 的 新 型 热 能 利 用和 调 控 的 智 能 材 料。自然界中的传统材料，其 热 导系数在 空 间 均 匀 分 布，热 量 从 温 度 高 的 一 端 直 线 流向温度低的 一 端，这 是 人 们 所 熟 知 的 热 传 导 模 式。 然而，如果能实现空间热导系数的非均匀分布，通 过 对宏观热扩散方程的空间变化，则可以实现对热流方 向的调控作用。这种通过人工改造而实现热导系数非 均匀分布 的 材 料 被 称 为 热 超 材 料［２２，２３］。智能 热 学 超 材料是可感知外部热源、主动响应的人工复合材料及 结构，潜在应用于微纳米结构的热电转换。一般可分 为两大类：控制热流和利用热能；用声子进行信息传输 和处理［２４］。图６为基于隐热衣研制开发的热伪装器 件。 ２１２
第4卷第7期 智能超材料研究与进展 123 (a-1) b-1 图6 智能热学超材 热隐身器，中间蓝色人形（者实验室中界 用的钢挂)可身 温度场简 Fig.6 Thermal m 1) 1.4智能耦合超材料与隐身技术 束扫描高增盐和易生产的优势。此外，LED头灯和 现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波 红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。图9 或声波的散射截面进行隐身，而超材料则不再是反射 展示了超材料在汽车行业的潜在和实际应用。美 或吸收波，而是改变波的传播路线，使波发生弯曲，以 国杜克大学的研究人员研制出了一种超材料图像传感 达到绕射传播的目的从而实现隐身。因为极少有能量 器，无需镜头即可拍摄照片。通过在柔性基底上印制 产生后向散射，超材料可以达到最佳的隐身效果。图 能够捕捉不同频率光线的超材料微结构，再加上一些 ?为近年来才开始研制生产用于球形隐身的概念模 电路板和软件，这部只有传感器的相机可以进行拍 型。智能超材料的超表面配置基于可编程智能耦合 摄。这一技术可取代传统摄像机应用在智能车辆蒙皮 超材料，可实现不同频段，包括可见光的隐身可，如图 上。 8所示。 在卫星通信行业，美国Kymeta公司借助智能电 槛规合超材料，采取全息技术实现对目标卫星的动态 a 电子扫描对准。在近红外频段，智能热学超材料正有 被研究用于控制热量定向辐射。美国Plasmonics公 司与美国Sandia国家实验室利用超材料的非朗伯 (non-Lambertian)辐射特性来设计和制作具有方向 性的辐射表面。这种超材料表面的一个潜在应用是对 卫星的热量控制。在能源领域，集成了超材料纳米 基于转换光学的球形隐身) 雄益面视因：b 视图 合材料的薄膜技术可以收集更宽角度的入射光线并吸 (a i 收其中的可用频谱，显芳提高太阳能转化的效率。在 空航天方面，采用超材料技术的纳米复合材魁被用 1,5新型传感型超材料与智能蒙皮 于调控宽角度入射的光线 在全球“工业4.0”进程持 智能超材料的奇异性能很快在蒙皮技术领域得到 续深化、“智能十”应用领域不断扩大的背景下，超材料 拓展，在传感器巾场已开展相关技术储备。如T。 智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表 和BMW等著名汽车 产商已启动电磁超材料研发 产品，具有巨大的发展空间和良好的市场前景。 根据Toyota中心研发实验室的报道，智能电磁超材 1.6 智能超材料制备与基因工程 料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线，电动马达 自然材料设计一样，超材料也可以从基本结构 用新型磁性材料和电磁兼容(EMC)中使用的高性能 单元，即材料基因为出发点，对材料的各种物理性质进 吸收与屏敲材料中获得推广2)。Toyota开发了新型 行精确的计算和预测，揭示其材料的基本参数，或者说 的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线，其具有宽波 是材料基因组合，与宏观物理性质的相关趣律)。但 1994-2018 China Academic Jou al Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
第４４卷 第７期 智能超材料研究与进展 图６ 智能热学超材料［２５］ （ａ）热隐身器，中间蓝色人形（或者实验室中采用的铜柱）可被隐身； （ｂ），（ｃ）热伪装器 （１）概念示意图；（２）物理实现图；（３）实验测量的瞬时温度场简况 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［２５］ （ａ）ｔｈｅｒｍａｌｃｌｏａｋｉｎｇ；（ｂ），（ｃ）ｔｈｅｒｍａｌｃａｍｏｕｆｌａｇｅ；（１）ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｓｃｈｅｍｅ； （２）ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓｔｏｐｈｙｓｉｃａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ；（３）ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｒｏｆｉｌｅｓ １．４ 智能耦合超材料与隐身技术 现有隐身技术是通过减小作战平台对入射电磁波 或声波的散射截面进行隐身，而超材料则不再是反射 或吸收波，而是改变波的传播路线，使波发生弯曲，以 达到绕射传播的目的从而实现隐身。因为极少有能量 产生后向散射，超材料可以达到最佳的隐身效果。图 ７为近年来才开始研制生产用于球形隐身的概念模 型［６］。智能超材料的超表面配置基于可编程智能耦合 超材料，可实现不同频段，包括可见光的隐身［２６］，如图 ８所示。 图７ 基于转换光学的球形隐身［６］ （ａ）二维截面视图；（ｂ）三维视图 Ｆｉｇ．７ Ｓｐｈｅｒｅｃｌｏａｋｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｐｔｉｃｓ［６］ （ａ）２Ｄｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｖｉｅｗ；（ｂ）３Ｄｖｉｅｗ １．５ 新型传感型超材料与智能蒙皮 智能超材料的奇异性能很快在蒙皮技术领域得到 拓展，在传感器市场已开展相关技术储备。如 Ｔｏｙｏｔａ 和 ＢＭＷ 等著名汽车生产商已启动电磁超材料研发。 根据 Ｔｏｙｏｔａ 中心研发实验室的报道，智能 电 磁 超 材 料预期在车载雷达扫描系统、移动通信天线、电动马达 用新型磁性 材 料 和 电 磁 兼 容（ＥＭＣ）中使 用 的 高 性 能 吸收与屏蔽材料中获得推广［２７］。Ｔｏｙｏｔａ开发了新型 的频率不敏感左右手复合漏波扫描天线，其具有宽波 束扫描、高增益和易生产的优势。此外，ＬＥＤ 头灯和 红外成像夜视系统也是超材料的应用研究方向。图９ 展示了超材料在汽车行业的潜在和实际应用［２８］。美 国杜克大学的研究人员研制出了一种超材料图像传感 器，无需镜头即可拍摄照片。通过在柔性基底上印制 能够捕捉不同频率光线的超材料微结构，再加上一些 电路板和软件，这部只有传感器的相机就可以进行拍 摄。这一技术可取代传统摄像机应用在智能车辆蒙皮 上。 在卫星通信 行 业，美 国 Ｋｙｍｅｔａ公司 借 助 智 能 电 磁耦合超材料，采取全息技术实现对目标卫星的动态 电子扫描对准。在近红外频段，智能热学超材料正在 被研究用 于 控 制 热 量 定 向 辐 射。美 国 Ｐｌａｓｍｏｎｉｃｓ公 司与 美 国 Ｓａｎｄｉａ国 家 实 验 室 利 用 超 材 料 的 非 朗 伯 （ｎｏｎ－Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）辐射 特 性 来 设 计 和 制 作 具 有 方 向 性的辐射表面。这种超材料表面的一个潜在应用是对 卫星的热量控制。在能源领域，集成了超材料纳米复 合材料的薄膜技术可以收集更宽角度的入射光线并吸 收其中的可用频谱，显著提高太阳能转化的效率。在 航空航天方面，采用超材料技术的纳米复合材料被用 于调控宽角度入射的光线。在全球“工业４．０”进程持 续深化、“智能＋”应用领域不断扩大的背景下，超材料 智能结构作为战略新兴产业及人工智能革命中的代表 产品，具有巨大的发展空间和良好的市场前景。 １．６ 智能超材料制备与基因工程 与自然材料设计一样，超材料也可以从基本结构 单元，即材料基因为出发点，对材料的各种物理性质进 行精确的计算和预测，揭示其材料的基本参数，或者说 是材料基因组 合，与宏观物理性质的相关规律［２９］。但 ２１３
124 材料工程 2016年7月 GN 图8智能锅合超材料的显表面隐身农[调（®）以数千块细小的具有负阻抗金属片制成： ()经计算编程将这些~特异材料“片排列成可以~抓取”微波，并令其路径变鸡《)进面控制光线 Fig.8 Sebematics of smart coupled metamaterialsse (a)an ultrathin metasurface formed by structured metal (top)combined with EMC dy 多惠 作为一种新兴的交叉应用科学，超材料的结构单元设 等实验技术相差很大。针对以上超材料发展的状况 计具有很大的任意性，物理过程的多样性，不同尺度的 很有必要将超材料钠入材料基因组计划，从而建成完 特殊性，使得超材料的计算模拟、材料的制备，实验测 整的超材料高通量的实验平台，将为超材料的理论分 量和数据积累非常的庞杂0。多种几何结构形式的 析和计算提供实现的技术基础，并为超材料的应用开 提出，但未能系统的比较和归钠，缺乏整体的协同创新 发提供数据和资料。这将大大加快超材料从基础研究 和数据共享，这 一发展模式，极大地限制了超材料向 向应用研究的转化速度 际应用领域的发展。 在智能超材料新型设计与仿真中，相当数目的软 2 智能超材料的国内外发展 件用于超材料的设计和计算。但是每个软件都有各自 的局限性，只能用于某些特殊条件下的计算。同时，对 2.1国际智能超材料发展现状与趋势 于不同学科的超材料的研究，材料的制备、表征和测量 在超材料基础研究方面，随着超材料研究的不断 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.htp:/www.cnki.ne
材料工程 ２０１６年７月 图８ 智能耦合超材料的超表面隐身衣［２６］ （ａ）以数千块细小的具有负阻抗金属片制成； （ｂ）经计算编程将这些“特异材料”片排列成可以“抓取”微波，并令其路径变弯；（ｃ）进而控制光线 Ｆｉｇ．８ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓｏｆｓｍａｒｔｃｏｕｐｌｅｄｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［２６］ （ａ）ａｎｕｌｔｒａｔｈｉｎｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｆｏｒｍｅｄｂｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｅｔａｌ（ｔｏｐ）ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈ ｌｕｍｐｅｄｎｅｇａｔｉｖｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；（ｂ）ａｓｓｅｍｂｌｙｏｆａｎａｃｔｉｖｅｎｏｎ－Ｆｏｓｔｅｒ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ；（ｃ）ａｍａｎｔｌｅｃｌｏａｋｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒａｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｉｎｆｉｎｉｔｅｃｙｌｉｎｄｅｒｕｎｄｅｒｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ－ｍａｇｎｅｔｉｃｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ 图９ 可在汽车领域应用的工业级超材料［２８］ Ｆｉｇ．９ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｖａｉｌａｂｌｅｉｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［２８］ 作为一种新兴的交叉应用科学，超材料的结构单元设 计具有很大的任意性，物理过程的多样性，不同尺度的 特殊性，使得超材料的计算模拟、材料的制备、实验测 量和数据积累非常的庞杂［３０］。多种 几 何 结 构 形 式 的 提出，但未能系统的比较和归纳，缺乏整体的协同创新 和数据共享，这一发展模式，极大地限制了超材料向实 际应用领域的发展。 在智能超材料新型设计与仿真中，相当数目的软 件用于超材料的设计和计算。但是每个软件都有各自 的局限性，只能用于某些特殊条件下的计算。同时，对 于不同学科的超材料的研究，材料的制备、表征和测量 等实验技术相差很大。针对以上超材料发展的状况， 很有必要将超材料纳入材料基因组计划，从而建成完 整的超材料高通量的实验平台，将为超材料的理论分 析和计算提供实现的技术基础，并为超材料的应用开 发提供数据和资料。这将大大加快超材料从基础研究 向应用研究的转化速度。 ２ 智能超材料的国内外发展 ２．１ 国际智能超材料发展现状与趋势 在超材料基础研究方面，随着超材料研究的不断 ２１４
第44卷第7期 智能超材料研究与进展 125 深入，智能超材料越来越广泛地涉及多种物理场的 学隐身农的设计原理。在实验研究方面，哈佛大学的 合效应，如电磁、机电、光热和光机合，实现超材料的 ,德国卡尔斯鲁尔工业大学Wegner团 智能响应。不仅需要考量几何结构整体，也需要考志 队，新加坡国立大学李保文、仇成伟联合团队 加入了微结构单元中非均匀体系，对机制的探究主要 新加坡南洋理工大学可先后独自实现了热屏蓝/热隐 有美国杜克大学Sith团队，新加坡南洋理工大学 身衣功能。在智能耦合超材料方面，有许多研究组正到 Singh团队a,德国斯图加特大学Giessen团队 力于通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与 对于新型人工原子与人工分子设计，需考量涉及理论 位移矢量调控，如加州理工大学的 Painter团队,日才 结构设计及实验论证的不同方面，美国加州大学伯克 京都大学的Noda闭队s和德国Ulm大学Unold团 利分校张翔团队[叮，德国耶食大学Lederer团队[) 队网。在智能超材料结构设计仿真和材料制各两大方 英国伦敦大学帝国理工学院Maier团队[3的，相维提出 面关键技术，分别集中在美国亚利桑那大学、法国巴 了各种不同的谐振结构形式，如金属基、介质、声波利 第十 非谐振结 对于超材料与自然 材料相融合的到 和德国斯图加特大学 首先由我国清华大学周济团队提出，随后美由 技术的研究机构来自美国、德国，俄罗斯和英国等欧美 爱荷华州立大学Soukoulis团队[)和德国卡尔斯鲁厄 国家，除智能热学相材料我国处于国际领先地位外，其 理工学院Rockstuhl团队[)，先后跟进探索及设计新 他关键技术，尤其是智能机械超材料，由于领域内材料 机制。从现有线性无源系统，美国宾夕法尼亚州立大 制备技术的局限，德国，美国和俄罗斯处于领先地位 英国南安普敦大学 等对电磁超材料进行 能：定德州大学爽新打分A面 在超材料产品的工业应用方面 公司、分形天线系统公司、超材料技术公司、工业企 和德闲达妈施塔特工业大学1ak。bv闭队四对新型传 Haris公司、Kvocera无线公司，EMW等。大型航 感型超材料进行了探素，研究电磁场局域增强及对周 航天和国防承包商包括洛克希德马丁公司、波音公司 围环境的介电性敏感等特性】 综合来看，这 领域的 雷神公司和三星公司。美国杜克大学Smih团 基础研究方面，优势的国家有德国、美国、新加坡和英 在光电磁隐身和医学完美成像，美国斯坦福 国，优势的机构是德国卡尔断鲁厄理工学院Wegener 学Byer-Fejer闭队 在精密仪器制程与片上实验室 团队[I 刀，美国杜克大学Smith闭队 ,英国伦敦 处于领先水平」 大学[)。不过目前，智能超材料的研究转向海内外 2.2 国内智能超材料发展现状与水平 学a，香港科技大学四， 复且大学 ,有相当好的所究基 ,较有 大学伯克利分校张翔 响的研究团队包括：南京大学闵乃本、祝世宁、陈延峰 等[2)在光学超晶格、光学超材料及声子品体等方面 研闭队 的研究，集中在多种物理场的耦合机制、智能机械超材 在智能超材料的关键技术方面 涉及四大类微 料、智能耦合超材料、智能超材料 枸单元类型，电 、机械、热学和合超材料，以及设 工程等方面：香港科技大学的沈平 ”学号 仿真和材料制备两大方面的技术研发。智能电磁超材 声超材料的有效介质理论等基础性的研究，体现在新 料，主要研究机构来自美国、新加坡、俄罗斯和英国等 料人工原子与人工分子设计和智能招材料新利设计与 国，如美国宾夕法尼亚大学[]，英国的伦教大学[) 仿真技术，中国科学院物理研究所张道中、程丙英、李 相比较，智能机械超材料起步较晚，在2012年由德国 志远、顾长志等6-进行了光子品体、等离子体基 的Wegener团队t利用激光直写技术制备，由点接能 超材料、左手材料等领域的研究，如新型传感型超材料 的双锥结构构成。另外，美国华盛顿特区的国家研究 深索：清华大学周济等[町在介质基及本征型超材 中心Layman等从理论上说明了当体模量与弹性 料，朴其在超材料与自然材料的种合，相材料可相 模量的比值从较小的100增大至1000时，将从本质上 性探素，电磁、合和设计仿直等关键技术方面都进行 导致弹性斗篷呈现完美的隐性性能。 同样的，俄罗斯 了研究。东南大学崔铁军等在 微波超材料方面 雷洛夫国家研究中心进行了拥有定制化设计的结构 的研究，体现在新型人工原子与人工分子设计和数学 密度分布等不同方向的研制开发。智能热学超材料甘 编程。浙江大学孔金瓯、何赛灵、陈红胜等平 光 是近些年才提出的，在2008年我国复旦大学黄吉平团 学超材料进行了研究。西北工业大学赵晓鹏等)对 队等将光学隐身的理念推广到热学领域并提出热 分型超材料进行了研究。此外，西安交通大学徐卓、屈 1004.2018Chi al Electronic Publishing Hous All rights /www.cnki.ne
第４４卷 第７期 智能超材料研究与进展 深入，智能超材料越来越广泛地涉及多种物理场的耦 合效应，如电磁、机电、光热和光机耦合，实现超材料的 智能响应。不仅需要考量几何结构整体，也需要考虑 加入了微结构单元中非均匀体系，对机制的探究主要 有美国杜克大学Ｓｍｉｔｈ团队［３１］，新加坡南洋理工大学 Ｓｉｎｇｈ团队［３２］，德国 斯 图 加 特 大 学 Ｇｉｅｓｓｅｎ 团 队［３３］。 对于新型人工原子与人工分子设计，需考量涉及理论 结构设计及实验论证的不同方面，美国加州大学伯克 利分校张翔 团 队［３４］，德国 耶 拿 大 学 Ｌｅｄｅｒｅｒ团队［３５］， 英国伦敦大学帝国理工学院 Ｍａｉｅｒ团队［３６］，相继提出 了各种不同的谐振结构形式，如金属基、介质、声波和 其他非谐振结构。对于超材料与自然材料相融合的理 念［３０］，首先由我国清华大学周济团队提出，随 后 美 国 爱荷华州立大学Ｓｏｕｋｏｕｌｉｓ团队［３７］和德国卡尔斯鲁厄 理工学院 Ｒｏｃｋｓｔｕｈｌ团队［３８］，先后跟进探索及设计新 机制。从现有线性无源系统，美国宾夕法尼亚州立大 学［３９］，英国南安普敦大学［４０］等对电磁超材料进行了可 调性的探索。美国德州大学奥斯汀分校 Ａｌｕ团队［２６］ 和德国达姆施塔特工业大学Ｊａｋｏｂｙ团队［４１］对新型传 感型超材料进行了探索，研究电磁场局域增强及对周 围环境的介电性敏感等特性。综合来看，这一领域的 基础研究方面，优势的国家有德国、美国、新加坡和英 国，优势的机构是德国卡尔斯鲁厄理工学院 Ｗｅｇｅｎｅｒ 团队［１７－１９］，美国杜克大学Ｓｍｉｔｈ团队［１，６，３１］，英国伦敦 大学［３６］。不过目前，智能超材料的研究多转向海内外 的 华 人 研 究 团 队，例 如 我 国 清 华 大 学［３０］，南 京 大 学［９，２１］，香港科技大学［４２］，复旦大学［４３］等及美国加州 大学伯克利 分 校 张 翔［３４］，美国 东 北 大 学 的 Ｌｉｕ［４４］，佐 治亚理工学院的 Ｃａｉ［４５］，新加坡南洋理工大学［３２］等科 研团队。 在智能超材料的关键技术方面，涉及四大类微结 构单元类型，电磁、机械、热学和耦合超材料，以及设计 仿真和材料制备两大方面的技术研发。智能电磁超材 料，主要研究机构来自美国、新加坡、俄罗斯和英国等 国，如美国 宾 夕 法 尼 亚 大 学［３９］，英国 的 伦 敦 大 学［３６］。 相比较，智能机械超材料起步较晚，在２０１２年由德国 的 Ｗｅｇｅｎｅｒ团队［４６］利用激光直写技术制备，由点接触 的双锥结构构成。另外，美国华盛顿特区的国家研究 中心 Ｌａｙｍａｎ等［４７］从理论上说明了当体模量与弹性 模量的比值从较小的１００增大至１０００时，将从本质上 导致弹性斗篷呈现完美的隐性性能。同样的，俄罗斯 雷洛夫国家研究中心进行了拥有定制化设计的结构和 密度分布等不同方向的研制开发。智能热学超材料也 是近些年才提出的，在２００８年我国复旦大学黄吉平团 队等［４８］将光学隐身的理念推广到热学领域并提出热 学隐身衣的设计原理。在实验研究方面，哈佛大学的 Ｓａｔｏ团 队［４９］，德国卡尔斯鲁 尔工业大学 Ｗｅｇｎｅｒ团 队［５０］，新加坡国立大学李保文、仇成伟联合团队［５１，５２］， 新加坡南洋理工大学［５３］先后独自实现了热屏蔽／热隐 身衣功能。在智能耦合超材料方面，有许多研究组正致 力于通过亚波长尺度人工结构实现局域电磁场调控与 位移矢量调控，如加州理工大学的Ｐａｉｎｔｅｒ团队［５４］、日本 京都大 学 的 Ｎｏｄａ团队［５５］和德 国 Ｕｌｍ 大学 Ｕｎｏｌｄ团 队［５６］。在智能超材料结构设计仿真和材料制备两大方 面关键技术，分别集中在美国亚利桑那大学［５７］、法国巴 黎第十一大学［５８］、印度理工学院［５９］，美国普渡大学［６０］ 和德国斯图加特大学［３３］。总的说来，智能超材料关键 技术的研究机构来自美国、德国，俄罗斯和英国等欧美 国家，除智能热学超材料我国处于国际领先地位外，其 他关键技术，尤其是智能机械超材料，由于领域内材料 制备技术的局限，德国、美国和俄罗斯处于领先地位。 在超材料 产 品 的 工 业 应 用 方 面，主 要 有 Ｋｙｍｅｔａ 公司、分形天线系统公司、超材料技术公司、工业企业 Ｈａｒｉｓ公司、Ｋｙｏｃｅｒａ无线 公 司、ＥＭＷ 等。大型 航 空 航天和国防承包商包括洛克希德马丁公司、波音公司、 雷神 公 司 和 三 星 公 司。 美 国 杜 克 大 学 Ｓｍｉｔｈ 团 队［１，６，３１］在光电磁隐身和医学完美成像，美国斯坦福大 学 Ｂｙｅｒ－Ｆｅｊｅｒ团队［６１］在精密仪器制程与片上实验室 处于领先水平。 ２．２ 国内智能超材料发展现状与水平 我国在智能超材料方向的基础研究和关键技术两 方面与世界几乎同步，有相当好的研究基础。较有影 响的研究团队包括：南京大学闵乃本、祝世宁、陈延峰 等［９，２１］在光学超晶 格、光学超材料及声子晶体等方面 的研究，集中在多种物理场的耦合机制、智能机械超材 料、智能耦合超材料、智能超材料制备技术与材料基因 工程等方面；香 港 科 技 大 学 的 沈 平、陈 子 亭 等［６２，６３］对 声超材料的有效介质理论等基础性的研究，体现在新 型人工原子与人工分子设计和智能超材料新型设计与 仿真技术；中国科学院物理研究所张道中、程丙英、李 志远、顾长志等［６４－６６］进行了 光 子 晶 体、等 离 子 体 基 元 超材料、左手材料等领域的研究，如新型传感型超材料 探索；清 华 大 学 周 济 等［６７，６８］在 介 质 基 及 本 征 型 超 材 料，尤其在超 材 料 与 自 然 材 料 的 融 合［３０］，超材 料 可 调 性探索，电磁、耦合和设计仿真等关键技术方面都进行 了研究。东南大学崔铁军等［１２，３１］在微 波 超 材 料 方 面 的研究，体现在新型人工原子与人工分子设计和数学 编程。浙江大 学 孔 金 瓯、何 赛 灵、陈 红 胜 等［６９，７０］对光 学超材料进 行 了 研 究。西北工业大学赵晓鹏等［７１］对 分型超材料进行了研究。此外，西安交通大学徐卓、屈 ２１５
126 材料工程 2016年7月 绍波在智能光学超材料方面也做了相当多的探索 复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料，许多基 在工业应用方面，我国深圳光启高等理工研究院 础研究性的工作尚待开展，尤其是如何将凝聚态物理品 在国际上首开超材料工业化的先河，该研究院目前拥 体学领域的传统理论，转化为人工微结构的设计与表 有国际超材料应用方面70%以上的专利，在智能隐身 征。这些可能是智能机械超材料研究必须考虑的间题 材料、扭能信系统、招传感等领域已经有一些产业化 (3)智能热学招材料，是如何用人工微结物来控制 成果。在超材料标准方面，我国于2013年11月成 热流和利用热能 这 超材料要么与纳米尺度声子品 立了由来自深圳光启高等理工研究院，中航工业集团 体结合，要么与其他物理场合，方能真正展示智能热 公司、航天科工集团、清华大学，中国钢研科技集团、工 学超材料本身的独创新频性】 和信良化部由信研究院，中用围标准化平究院、空至劳 《4)新型的人工顶子及微结物单元的设计将在未 各研究院，公安部第一研究所等单位的专家和学者组 米超材料设计中占有相当的比重，尤其是目前DNA 成超材料标准化委员会，目前已在国际上首次推出了 编码技术和MOF研究的开展，更加有利于地促进) 超材料定义和规范等标准化文件 工原子系统理性的设计， 总的来说，我国在智能超材料方而的基础研究如 (5)材料制备和仿真技术的基因工程方而，必须洁 于国际先讲水平。研究机构正积极开拓招材料研究城 碑的认积到婚拟仿直与沈哈技术的有效石补种合 域，以南京大学、清华大学、东南大学、西北大学、浙江 须承认数值模拟是对现实世界诸多因素的简化分析 大学等为代表，在国际上已形成了有 定影响力的 如在机械超材料中的方形折纸技术，数值仿真已证明 究队伍，相关课题组也做了许多重要的开创性工作，弓 没有实现的可能，但是在实际实验中，选更加柔性的 起了国际学术界的广泛重视。不过，除智能电碳、根合 材料，利用最简单的操作也完全可以制作出来。因此 超材料外，其他方面均处于起步阶段，还有很多基本问 在超材料设计数值模拟与实验之间，人所发挥的是不 题需要研究。以智能超材料制各的核心技术为例， 可替代的作用。如何整合现有的模拟和材料制备系 研基础依然薄弱，我国应加大相关材料的基础研究 统，建立专家式系统化的基因工程，也是超材料设计中 及研发升级等领域的投入，并制定相关的政策，从而使 必须要应对的迫切问题 我国的智能超材料研发方面在函势领域中赶超，在强 参考文献 势领域中保持优势。此外，科研成果的产业化水平仍 然不高，亟待提高转化效率，缩短科研成果从实验室走 [1]SHELBY R A.SMITH D R.SCHULTZ S,Exper tal verifr 向产业应用的时间 为此，应加强相关领域内的高松 of a negative index of ref action []Science.2001.292 及科研院所与相关产业企业的合作，积极鼓励科研创 55140:77-7 [21 VALENTINE ANG S.ZEN TGRAF et al.Thr 新，促使我国企业拥有更多的自主知识产权，从而在相 nde 关领域形成国际竟争力。 [3]FANG N.LEE H.SUN C.et al.Sul-diffra limited ontics 3结束语 ging with a silver superlens [11.Science.2005.308(5721). 534-537 综上所述，本文简要地就智能超材料进行了系努 4 ZHANGX.LIUZ Superlenses to overcome the diffraction limi 性的分类，并扼要地予以论述。基于基础研究、技术发 IN. 居和新产品研发禁方而.对国内外发展状况，讲行了利 学性的评述。 但值得指出的是，智能超材料种类繁多 200.325(5947).1513-1515 [6]PENDRY J B.SCHURIG D.SMITH D R.Co 芜杂，未尽之处，在所难免。本文尽最大努力列出智能 ie fields [Sciene 0.2006.312(5781):1780-1782 超材料可能的发展方向，以期为有志深入此领域者，抛 ind grou 志引玉 (1)智能光学超材料，在于调控包括太赫兹在内的 [8] GENOV DA.ZHANG S.ZHANG X. 不同频段电磁波，在未米发展中，可能将更倾向于数 化可编辑控制领域或传感器复合型超材料。之前成熟 [9]彭茹麦，李涛，卢明辉，等.浅说人工微结构材料与光和声的调拉 研究[J门.物，2012,41(9)：569-574 的超材料技术将有望在实际生产生活及工业化进程中 PENG R W.LI T.LU M H.et al.Artifical mic 很到广多的推广和应用 pulation of optical and acoustic waves ]Phys (2)智能机械超材料，是基于多孔，折纸，五模式等 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved /www.cnki.ne
材料工程 ２０１６年７月 绍波［７２］在智能光学超材料方面也做了相当多的探索。 在工业应用方面，我国深圳光启高等理工研究院 在国际上首开超材料工业化的先河，该研究院目前拥 有国际超材料应用方面７０％以上的专利，在智能隐身 材料、智能通信系统、超传感等领域已经有一些产业化 成果［２８］。在超材料标准方面，我国于２０１３年１１月成 立了由来自深圳光启高等理工研究院、中航工业集团 公司、航天科工集团、清华大学、中国钢研科技集团、工 业和信息化部电信研究院、中国标准化研究院、空军装 备研究院、公安部第一研究所等单位的专家和学者组 成超材料标准化委员会，目前已在国际上首次推出了 超材料定义和规范等标准化文件。 总的来说，我国在智能超材料方面的基础研究处 于国际先进水平。研究机构正积极开拓超材料研究领 域，以南京大学、清华大学、东南大学、西北大学、浙江 大学等为代表，在国际上已形成了有一定影响力的研 究队伍，相关课题组也做了许多重要的开创性工作，引 起了国际学术界的广泛重视。不过，除智能电磁、耦合 超材料外，其他方面均处于起步阶段，还有很多基本问 题需要研究。以智能超材料制备的核心技术为例，科 研基础依然薄弱，我国应加大相关材料的基础研究以 及研发升级等领域的投入，并制定相关的政策，从而使 我国的智能超材料研发方面在弱势领域中赶超，在强 势领域中保持优势。此外，科研成果的产业化水平仍 然不高，亟待提高转化效率，缩短科研成果从实验室走 向产业应用的时间。为此，应加强相关领域内的高校 及科研院所与相关产业企业的合作，积极鼓励科研创 新，促使我国企业拥有更多的自主知识产权，从而在相 关领域形成国际竞争力。 ３ 结束语 综上所述，本文简要地就智能超材料进行了系统 性的分类，并扼要地予以论述。基于基础研究、技术发 展和新产品研发等方面，对国内外发展状况，进行了科 学性的评述。但值得指出的是，智能超材料种类繁多 芜杂，未尽之处，在所难免。本文尽最大努力列出智能 超材料可能的发展方向，以期为有志深入此领域者，抛 砖引玉。 （１）智能光学超材料，在于调控包括太赫兹在内的 不同频段电磁波，在未来发展中，可能将更倾向于数学 化可编辑控制领域或传感器复合型超材料。之前成熟 的超材料技术将有望在实际生产生活及工业化进程中 得到广泛的推广和应用。 （２）智能机械超材料，是基于多孔，折纸，五模式等 复杂拓扑结构来调控弹性波的一类新兴超材料，许多基 础研究性的工作尚待开展，尤其是如何将凝聚态物理晶 体学领域的传统理论，转化为人工微结构的设计与表 征。这些可能是智能机械超材料研究必须考虑的问题。 （３）智能热学超材料，是如何用人工微结构来控制 热流和利用热能。这一超材料要么与纳米尺度声子晶 体结合，要么与其他物理场耦合，方能真正展示智能热 学超材料本身的独创新颖性。 （４）新型的人工原子及微结构单元的设计将在未 来超材料设 计 中 占 有 相 当 的 比 重，尤 其 是 目 前 ＤＮＡ 编码技术和 ＭＯＦ 研究的开展，更加有利于地促 进 人 工原子系统理性的设计。 （５）材料制备和仿真技术的基因工程方面，必须清 醒地认识到模拟仿真与实验技术的有效互补融合。必 须承认数值模拟是对现实世界诸多因素的简化分析， 如在机械超材料中的方形折纸技术，数值仿真已证明 没有实现的可能，但是在实际实验中，选择更加柔性的 材料，利用最简单的操作也完全可以制作出来。因此， 在超材料设计数值模拟与实验之间，人所发挥的是不 可替代的 作 用。如 何 整 合 现 有 的 模 拟 和 材 料 制 备 系 统，建立专家式系统化的基因工程，也是超材料设计中 必须要应对的迫切问题。 参考文献 ［１］ ＳＨＥＬＢＹＲＡ，ＳＭＩＴＨＤＲ，ＳＣＨＵＬＴＺＳ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖｅｒｉｆｉ－ ｃａｔｉｏｎｏｆａｎｅｇａｔｉｖｅｉｎｄｅｘｏｆｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００１，２９２ （５５１４）：７７－７９． ［２］ ＶＡＬＥＮＴＩＮＥＪ，ＺＨＡＮＧ Ｓ，ＺＥＮＴＧＲＡＦ Ｔ，ｅｔａｌ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉ－ ｍｅｎｓｉｏｎａｌｏｐｔｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｗｉｔｈａｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，２００８，４５５（７２１１）：３７６－３７９． ［３］ ＦＡＮＧ Ｎ，ＬＥＥ Ｈ，ＳＵＮＣ，ｅｔａｌ．Ｓｕｂ－ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ－ｌｉｍｉｔｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈａｓｉｌｖｅｒｓｕｐｅｒｌｅｎｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００５，３０８（５７２１）： ５３４－５３７． ［４］ ＺＨＡＮＧＸ，ＬＩＵＺ．Ｓｕｐｅｒｌｅｎｓｅｓｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔ ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，７（６）：４３５－４４１． ［５］ ＧＡＮＳＥＬＪＫ，ＭＩＣＨＡＥＬＴ，ＲＩＬＬ ＭＳ，ｅｔａｌ．Ｇｏｌｄｈｅｌｉｘｐｈｏ－ ｔｏｎｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｓｂｒｏａｄｂａｎｄｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚｅｒ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００９，３２５（５９４７）：１５１３－１５１５． ［６］ ＰＥＮＤＲＹＪＢ，ＳＣＨＵＲＩＧ Ｄ，ＳＭＩＴＨ ＤＲ．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏ－ ｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００６，３１２（５７８１）：１７８０－１７８２． ［７］ ＬＩＵ Ｒ，ＪＩＣ，ＭＯＣＫＪＪ，ｅｔａｌ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄｇｒｏｕｎｄ－ｐｌａｎｅｃｌｏａｋ ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９，３２３（５９１２）：３６６－３６９． ［８］ ＧＥＮＯＶＤＡ，ＺＨＡＮＧＳ，ＺＨＡＮＧＸ．Ｍｉｍｉｃｋｉｎｇｃｅｌｅｓｔｉａｌｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｉｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＰｈｙｓｉｃｓ，２００９，５（９）：６８７－６９２． ［９］ 彭茹雯，李涛，卢明辉，等．浅说人工微结构材料与光和声的调控 研究［Ｊ］．物理，２０１２，４１（９）：５６９－５７４． ＰＥＮＧＲ Ｗ，ＬＩＴ，ＬＵ Ｍ Ｈ，ｅｔａｌ．Ａｒｔｉｆｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍａ－ ｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ－ ｉｃｓ，２０１２，４１（９）：５６９－５７４． ２１６
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第４４卷 第７期 智能超材料研究与进展 ［１０］ ＶＥＳＥＬＡＧＯ ＶＧ．Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｓｕｂｓｔａｎｃｅｓｗｉｔｈｓｉｍ－ ｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｎｅｇａｔｉｖｅｖａｌｕｅｓｏｆａｎｄμ ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ－Ｕｓｐｅｋｈｉ， １９６８，１０（４）：５０９－５１４． ［１１］ ＰＥＮＤＲＹＪＢ．Ｎｅｇａｔｉｖｅｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｍａｋｅｓａｐｅｒｆｅｃｔｌｅｎｓ ［Ｊ］． ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，２０００，８５（１８）：３９６６． ［１２］ ＣＵＩＴＪ，ＱＩＭ Ｑ，ＷＡＮＸ，ｅｔａｌ．Ｃｏｄｉｎｇｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｄｉｇｉｔ－ ａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．Ｌｉｇｈｔ： ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１４，３（１０）：ｅ２１８． ［１３］ ＧＩＯＶＡＭＰＡＯＬＡ Ｃ Ｄ，ＥＮＧＨＥＴＡ Ｎ．Ｄｉｇｉｔａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，１３（１２）：１１１５－１１２１． ［１４］ ＬＩＵ Ｘ，ＺＨＯＵＪ，ＬＩＴＣＨＩＮＩＴＳＥＲ Ｎ，ｅｔａｌ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｌｌ－ ｏｐｔｉｃａｌｓｗｉｔｃｈｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｒｅｓｏｎａｎｃｅｍｏｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇｉｎｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｅｔａ－ａｔｏｍｓ［Ｊ］．ＡｒＸｉｖＰｒｅｐｒｉｎｔ，２０１４，１４１２：３３３８． ［１５］ ＷＵ Ｈ Ｙ，ＺＨＯＵＪ，ＬＡＮＣ Ｗ，ｅｔａｌ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅｍｅｍｒｉｓｔｉｖｅ－ ｌｉｋｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙｉｎａｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅ－ ｐｏｒｔｓ，２０１４，４：５４９９． ［１６］ ＺＨＡＯＱ，ＺＨＯＵＪ，ＺＨＡＮＧＦ，ｅｔａｌ．Ｍｉｅｒｅｓｏｎａｎｃｅ－ｂａｓｅｄｄｉｅｌｅｃ－ ｔｒｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］，ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｏｄａｙ，２００９，１２（１２）：６０－６９． ［１７］ ＳＯＵＫＯＵＬＩＳＣ Ｍ，ＷＥＧＥＮＥＲ Ｍ．Ｐａｓｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｆｕ－ ｔｕｒｅｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｎｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１１，５（９）：５２３－５３０． ［１８］ ＫＡＤＩＣＭ，ＢＣＫＭＡＮＮＴ，ＳＴＥＮＧＥＲＮ，ｅｔａｌ．Ｏｎｔｈｅｐｒａｃ－ ｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｅｎｔａｍｏｄｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ ＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１００（１９）：１９１９０１． ［１９］ ＢＣＫＭＡＮＮ Ｔ，ＴＨＩＥＬ Ｍ，ＫＡＤＩＣ Ｍ，ｅｔａｌ．Ａｎｅｌａｓｔｏ－ｍｅ－ ｃｈａｎｉｃａｌｕｎｆｅｅｌａｂｉｌｉｔｙｃｌｏａｋ ｍａｄｅｏｆｐｅｎｔａｍｏｄｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］，ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ２０１４，５：４１３０． ［２０］ ＢＲＬＳ，ＪＡＶＥＬＡＵＤＥ Ｈ，ＥＮＯＣＨ Ｓ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｎｓｅｉｓｍｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｍｏｌｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｗａｖｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，２０１４，１１２（１３）：４２１－４３１． ［２１］ 阮居祺，卢明辉，陈延峰，等．基于弹性力学的超构材料［Ｊ］．中 国科学：技术科学，２０１４，４４（１２）：１２６１－１２７０． ＲＵＡＮＪＱ，ＬＵ Ｍ Ｈ，ＣＨＥＮ ＹＦ，ｅｔａｌ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｂａｓｅｄ ｏｎｅｌａｓｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＣｈｉｎａ：ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ， ２０１４，４４（１２）：１２６１－１２７０． ［２２］ ＧＵＥＮＮＥＡＵ Ｓ，ＡＭＲＡ Ｃ，ＶＥＹＮＡＮＴＥ Ｄ．Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ：ｃｌｏａｋｉｎｇａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇｈｅａｔｆｌｕｘ［Ｊ］．Ｏｐ－ ｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２０１２，２０（７）：８２０７－８２１８． ［２３］ 沈翔瀛，黄 吉 平．热超构材料的研究进展［Ｊ］．物 理，２０１３，４２ （３）：１７０－１８０． ＳＨＥＮＸＹ，ＨＵＡＮＧＪＰ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａ－ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｓ，２０１３，４２（３）：１７０－１８０． ［２４］ 徐象繁，周俊，杨诺，等．人工微结构材料与热的调控［Ｊ］．中国 科学：技术科学，２０１５，４５（７）：７０５－７１３． ＸＵ ＸＦ，ＺＨＯＵＪ，ＹＡＮＧ Ｎ，ｅｔａｌ．Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｈｅａｔｆｌｕｘｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＣｈｉｎａ：Ｔｅｃｈ－ ｎｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，２０１５，４５（７）：７０５－７１３． ［２５］ ＨＡＮＴ，ＢＡＩＸ，ＴＨＯＮＧＪＴ，ｅｔａｌ．Ｆｕｌｌｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｈｅａｔｓｉｇｎａｔｕｒｅｓ：ｃｌｏａｋｉｎｇ，ｃａｍｏｕｆｌａｇｅａｎｄｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，２６（１１）：１７３１－１７３４． ［２６］ ＣＨＥＮＰ Ｙ，ＡＲＧＹＲＯＰＯＵＬＯＳＣ，ＡＬ Ａ．Ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇｔｈｅ ｃｌｏａｋｉｎｇｂａｎｄｗｉｄｔｈｗｉｔｈｎｏｎ－ｆｏｓｔｅｒｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ ＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，２０１３，１１１（２３）：２３３００１． ［２７］ ＳＡＴＯＫ，ＮＯＭＵＲＡＴ，ＭＡＴＳＵＺＡＷＡＳ，ｅｔａｌ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｆｏｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｈａｎｇｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ： ＰＩＥＲＳｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，２００８：１１２２－１１２５． ［２８］ 刘若鹏，季春霖，赵治亚，等。超材料：重新塑造与重新思考［Ｊ］． 工程，２０１５，１（２）：１７９－１８４． ＬＩＵ ＲＰ，ＪＩＣＬ，ＺＨＡＯＺ Ｙ，ｅｔａｌ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ：ｒｅｓｈａｐｅ ａｎｄｒｅｔｈｉｎｋ［Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，１（２）：１７９－１８４． ［２９］ 刘辉．微结构材料的材料基因工程［Ｒ］．南京：南京大学． ＬＩＵ Ｈ．Ｇｅｎｅ－ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＭｉｃｒｏ－ａｒｃｈｉｔｅｃｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｒ］． Ｎａｎｊｉｎｇ：ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ． ［３０］ 周济．超材料与自然材料融合的若干思考［Ｊ］．新 材 料 产 业， ２０１４，（９）：５－８． ＺＨＯＵＪ．Ｓｏｍｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｆｕｓｉｏｎｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｎａｔｕｒａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＩｎｄｕｓｔｒｙ，２０１４，（９）：５－８． ［３１］ ＣＵＩＴＪ，ＳＭＩＴＨ Ｄ Ｒ，ＬＩＵ Ｒ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｔｈｅｏｒｙ，Ｄｅ－ ｓｉｇｎ，ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ［Ｍ］．Ｂｏｓｔｏｎ，ＭＡ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ－Ｖｅｒｌａｇ， ２０１０． ［３２］ ＰＩＴＣＨＡＰＰＡＰ，ＭＡＮＪＡＰＰＡ Ｍ，ＨＯＣＰ，ｅｔａｌ．Ａｃｔｉｖｅｃｏｎ－ ｔｒｏｌｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙｉｎｄｕｃｅｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙａｎａｌｏｇｉｎｔｅｒａ－ ｈｅｒｔｚ ＭＥＭＳ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ ［Ｊ］．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ２０１６，４：５４１－５４７． ［３３］ ＧＩＥＳＳＥＮ Ｈ．Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ：ｇｒａｔｉｎｇｇａｍｅｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＰｈｏ－ ｔｏｎｉｃｓ，２００８，２（６）：３３５－３３７． ［３４］ ＮＩＸ，ＷＯＮＧＺＪ，ＭＲＥＪＥＮ Ｍ，ｅｔａｌ．Ａｎｕｌｔｒａｔｈｉｎｉｎｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙｓｋｉｎ ｃｌｏａｋｆｏｒｖｉｓｉｂｌｅｌｉｇｈｔ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１５，３４９（６２５４）：１３１０－１３１４． ［３５］ ＨＡＳＡＮＳＢ，ＬＥＤＥＲＥＲＦ，ＲＯＣＫＳＴＵＨＬＣ．Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｌａｓｍｏｎｉｃ ａｎｔｅｎｎａｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｏｄａｙ，２０１４，１７（１０）：４７８－４８５． ［３６］ ＷＡＮＧＺ，ＤＯＮＧＺＧ，ＧＵ Ｙ Ｈ，ｅｔａｌ．Ｇｉａｎｔｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓ－ ｃｅｎｃｅｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｉｎｔｕｎｇｓｔｅｎ－ｄｉｓｅｌｅｎｉｄｅ－ｇｏｌｄｐｌａｓｍｏｎｉｃｈｙｂｒｉｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１６，７：１１２８３． ［３７］ ＦＡＮＧ Ｍ，ＨＵＡＮＧ Ｚ，ＫＯＳＣＨＮＹ Ｔ，ｅｔａｌ．Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｑｕａｎｔｕｍｄｏｔｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅｉｎｐｌａｓｍｏｎｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉ－ ａｌｓ［Ｊ］．ＡＣＳＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１６，３（４）：５５８－５６３． ［３８］ ＧＵＯＲ，ＲＵＳＡＫＥ，ＳＴＡＵＤＥＩ，ｅｔａｌ．Ｍｕｌｔｉｐｏｌａｒｃｏｕｐｌｉｎｇｉｎ ｈｙｂｒｉｄｍｅｔａｌ－ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＡＣＳＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１６， ３（３）：３４９－３５３． ［３９］ ＰＴＡＳＩＮＳＫＩＪＮ，ＫＩＭＳＷ，ＰＡＮＧＬ，ｅｔａｌ．Ｏｐｔｉｃａｌｔｕｎｉｎｇｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎｐｈｏｔｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｔｈｎｅｍａｔｉｃｌｉｑｕｉｄｃｒｙｓｔａｌｃｌａｄｄｉｎｇｓ ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１３，３８（１２）：２００８－２０１０． ［４０］ ＳＶＩＲＫＯＹＰ，ＺＨＥＬＵＤＥＶ ＮＩ．ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＬｉｇｈｔｉｎＮｏｎ－ ｌｉｎｅａｒＯｐｔｉｃｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆ Ｓｏｎｓ，１９９８． ［４１］ ＰＲＥＩＳＳ，ＷＩＥＮＳＡ，ＭＡＵＮＥ Ｈ，ｅｔａｌ．Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｐａｃｋ－ ａｇｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ２０ Ｗ ＲＦｐｏｗｅｒＧａＮ ＨＥＭＴ ｗｉｔｈｄｉｓｃｒｅｔｅｔｈｉｃｋ－ ｆｉｌｍ ＭＩＭＢＳＴｖａｒａｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１６，５２（４）： ２９６－２９８． ［４２］ ＬＩＢ，ＷＡＮＧＦ，ＺＨＯＵ Ｄ，ｅｔａｌ．Ｍｏｄｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｍｅｌｔｉｎｇ ｉｎｃｏｌｌｏｉｄａｌｃｒｙｓｔａｌｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｔｔｒａｃｔｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ， ２０１６，５３１：４８５－４８８． ［４３］ ＣＨＥＮ ＷＪ，ＪＩＡＮＧＳＪ，ＣＨＥＮ ＸＤ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｉｎ ａ ｕｎｉａｘｉａｌ ｍｅｔａｃｒｙｓｔａｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１４，５：５７８２． ［４４］ ＺＨＡＮＧ Ｘ Ｑ，ＸＵ Ｑ，ＬＩＱ，ｅｔａｌ．Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｏｆ ｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｓｂｙｄａｒｋｍｏｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅＡｄｖａｎｃｅｓ， ２１７
128 材料工程 2016年7月 2016.2,e1501142 45]CAI W Optical Metamsterials:Fundamentals and Applica- tationrI.Onties Letters.2002.27413).1129-1131. ions [M].New York:Springer.2010. [62]MA G.YANG M.XIAO S.et al.Acoustic with hy [6]MARTIN A.KADIC M.SCHITTNY R.et a Phonon band brid res e1.Nature Materials.2014,139):873-878. ures of three [63 XIAO M.MA G .YANG Z.et al.Geom nd ban LAYMAN CN.NAIFY C. Nature Physics. sL Highly-ani- 2015.113,240-24 elomonts for a ications Phys [64]CHENG B.CHEN Z G.ZHANG C L,et al.Three-dimension ical Review Letters.2012.111(2),1103-1114. alityof band structure andlr reidual quiprice popule [48]FAN CZ.GAO Y.HUANG JP.Shaped graded materials with tion in revealed byeaxis polarized optical urements[J].Physical Review B.2011.83(14):1498- [65 w Letters,2012 Y.FEGADOLLI WS.GAN L. 08.214303. onic lattice r1 Nature Com tions.2016.7111319. [so]SCHITTNY R.KADIC M.GUENNEAU S.et al.Experi- [66]LIJ.CHEN S.YANG H.et al Simultaneous control of ligh ments on transformation thermodynamies:molding the flow of wLetter.2012.10:195901 ed Fu 2015,255704-710 [51 [67 具有零相 多传输性质的超材料研究门 Reports.2015.5,10242. hase delay in metamaterial [52]QIUC.GAOD.HANT.et al.Experimental demonstration of [n.S4 eti Sinica.2014.4a(0:406-416. a bilayer thermal cloak []Physical Review Letters.2014. [68]SUN J.LITCHINITSER N M.ZHOU J.Indefinite by nature 112054302 grom ultraviolet to terahertz [J].ACS Photonics.2014.1(4) 【53 GUYEN D M.XU H.ZHANG Y.a Active th mal cloak [S4]PAINTER O.LEE R K.SCHERER A.Two [69] . hotonic bandgap defect mode laser Science.1999.28 (5421):1819-1821. [70]XUS.XU H.GAO H.et al.Bro [55]NODA S.YOKOYAMA M.IMADA M.et aL Polarizntion mode mation clok[.PNAS.2015.112(25),7635-7638 ic crystal laser by unit cell structure [71] 聚树枝左手超材料的反常古斯汉冠 03160o emio[U1.E00C,2001.4:520-52L. [Acta Optiea Sinica.2015.35(3):0316001. [57] ENGHETA N.ZIOLKOWSKI R W.Meton rials:Physics [72】屈绍被，王甲高，马华，等。超材料设计及其在隐身技术中的应用 and Engineering Explorations M].Hoboken.N:Wiley LM切.北京：学出社，2013 YI.BUROKUR S N.DE LUSTRAC A.Co QU S B.WANG JF.MAH. g lens through r110ie8 Exnress.2D15.2310m.12912-12951. 基金项目：国家白然科学基金项目(51532004,11274198)：期士后项目 [59]BHATTACHARYYA 5.SRIVASTAVA K V.Triple band po 基金(2015M580094) arizatiorrindependent ultra-thin metamaterial absorber using e- 收精日期：2010+09：修订日期：201605-17 eetrie field-driven LC resonator [J].Journal of Applied Phys 通讯作者：网济(162-)，男，教授研究方向为超材料，信息功能材料 t6o2014. 元件，联系地址：北京市海淀区成府路箭华大学材料学院(100084》 [61]SCHOBER A M.IMESHEV G.FEJER M M.Tunable-chirp 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.ne
材料工程 ２０１６年７月 ２０１６，２：ｅ１５０１１４２． ［４５］ ＣＡＩ Ｗ Ｓ．ＯｐｔｉｃａｌＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａ－ ｔｉｏｎｓ［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１０． ［４６］ ＭＡＲＴＩＮ Ａ，ＫＡＤＩＣ Ｍ，ＳＣＨＩＴＴＮＹ Ｒ，ｅｔａｌ．Ｐｈｏｎｏｎｂａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｅｎｔａｍｏｄｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］． ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ，２０１２，８６（１５）：４１７２－４１８１． ［４７］ ＬＡＹＭＡＮＣＮ，ＮＡＩＦＹＣＪ，ＭＡＲＴＩＮＴＰ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈｌｙ－ａｎｉ－ ｓｏｔｒｏｐｉｃｅｌｅｍｅｎｔｓｆｏｒａｃｏｕｓｔｉｃｐｅｎｔａｍｏｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓ－ ｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１１１（２）：１１０３－１１１４． ［４８］ ＦＡＮＣＺ，ＧＡＯＹ，ＨＵＡＮＧＪＰ．Ｓｈａｐｅｄｇｒａｄｅｄｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈ ａｎａｐｐａｒｅｎｔｎｅｇａｔｉｖｅｔｈｅｒｍａｌｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００８，９２：２５１９０７． ［４９］ ＮＡＲＡＹＡＮＡＳ，ＳＡＴＯ Ｙ．Ｈｅａｔｆｌｕｘｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｅｄｔｈｅｒｍａｌｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１２， １０８：２１４３０３． ［５０］ ＳＣＨＩＴＴＮＹ Ｒ，ＫＡＤＩＣ Ｍ，ＧＵＥＮＮＥＡＵ Ｓ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔｓｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ：ｍｏｌｄｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｏｆ ｈｅａｔ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，２０１２，１１０：１９５９０１． ［５１］ ＨＡＮＴ，ＢＡＩＸ，ＬＩＵ Ｄ，ｅｔａｌ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｎｇｓｔｅａｄｙｈｅａｔｃｏｎ－ ｄｕｃｔｉｏｎｂｙｓｅｎｓｕ－ｓｈａｐｅｄｔｈｅｒｍａｌｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｒｅｐｏｒｔｓ，２０１５，５：１０２４２． ［５２］ ＱＩＵＣ，ＧＡＯＤ，ＨＡＮＴ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆ ａｂｉｌａｙｅｒｔｈｅｒｍａｌｃｌｏａｋ ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１４， １１２：０５４３０２． ［５３］ ＮＧＵＹＥＮＤＭ，ＸＵ Ｈ，ＺＨＡＮＧＹ，ｅｔａｌ．Ａｃｔｉｖｅｔｈｅｒｍａｌｃｌｏａｋ ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１５，１０７（１２）：１２１９０１． ［５４］ ＰＡＩＮＴＥＲＯ，ＬＥＥＲＫ，ＳＣＨＥＲＥＲＡ，ｅｔａｌ．Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄ－ｇａｐｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｌａｓｅｒ ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９９，２８４ （５４２１）：１８１９－１８２１． ［５５］ ＮＯＤＡＳ，ＹＯＫＯＹＡＭＡ Ｍ，ＩＭＡＤＡ Ｍ，ｅｔａｌ．Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｌａｓｅｒｂｙｕｎｉｔｃｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００１，２９３（５５３２）：１１２３－１１２５． ［５６］ ＵＮＯＬＤ ＨＪ，ＧＯＬＬＩＮＧ Ｍ，ＭＩＣＨＡＬＺＩＫ Ｒ，ｅｔａｌ．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌｓｕｒｆａｃｅ－ｅｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒｓ：ｔａｉｌｏｒｉｎｇｗａｖｅｇｕｉｄｉｎｇｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ ｍｏｄｅｅｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＥＣＯＣ，２００１，４：５２０－５２１． ［５７］ ＥＮＧＨＥＴＡ Ｎ，ＺＩＯＬＫＯＷＳＫＩＲ Ｗ．Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｓ ［Ｍ］． Ｈｏｂｏｋｅｎ， ＮＪ： Ｗｉｌｅｙ， ２００６． ［５８］ ＹＩＪ，ＢＵＲＯＫＵＲＳＮ，ＤＥＬＵＳＴＲＡＣＡ．Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌｄｅｓｉｇｎｏｆ ａｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇｌｅｎｓｔｈｒｏｕｇｈｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ，２０１５，２３（１０）：１２９４２－１２９５１． ［５９］ ＢＨＡＴＴＡＣＨＡＲＹＹＡＳ，ＳＲＩＶＡＳＴＡＶＡＫＶ．Ｔｒｉｐｌｅｂａｎｄｐｏ－ ｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｂｓｏｒｂｅｒｕｓｉｎｇｅ－ ｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ－ｄｒｉｖｅｎＬＣｒｅｓｏｎａｔｏｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓ－ ｉｃｓ，２０１４，１１５（６）：０６４５０８． ［６０］ ＳＨＡＬＡＥＶ Ｖ Ｍ，ＫＡＷＡＴＡ Ｓ．ＮａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓｗｉｔｈＳｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎｓ［Ｍ］．Ｂｏｓｔｏｎ：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ，２００７． ［６１］ ＳＣＨＯＢＥＲ Ａ Ｍ，ＩＭＥＳＨＥＶ Ｇ，ＦＥＪＥＲ Ｍ Ｍ．Ｔｕｎａｂｌｅ－ｃｈｉｒｐ ｐｕｌｓｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｑｕａｓｉ－ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄｓｅｃｏｎｄ－ｈａｒｍｏｎｉｃｇｅｎ－ ｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２００２，２７（１３）：１１２９－１１３１． ［６２］ ＭＡＧ，ＹＡＮＧ Ｍ，ＸＩＡＯＳ，ｅｔａｌ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｗｉｔｈｈｙ－ ｂｒｉｄｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，１３（９）：８７３－８７８． ［６３］ ＸＩＡＯ Ｍ，ＭＡ Ｇ，ＹＡＮＧＺ，ｅｔａｌ．Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃｐｈａｓｅａｎｄｂａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎ ｐｅｒｉｏｄｉｃａｃｏｕｓｔｉｃｓｙｓｔｅｍｓ ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ２０１５，１１（３）：２４０－２４４． ［６４］ ＣＨＥＮＧＢ，ＣＨＥＮＺＧ，ＺＨＡＮＧＣＬ，ｅｔａｌ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ－ ａｌｉｔｙｏｆｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｌａｒｇｅｒｅｓｉｄｕａｌｑｕａｓｉｐａｒｔｉｃｌｅｐｏｐｕｌａ－ ｔｉｏｎｉｎＢａ０．６７Ｋ０．３３Ｆｅ２Ａｓ２ ａｓｒｅｖｅａｌｅｄｂｙｃ－ａｘｉｓｐｏｌａｒｉｚｅｄｏｐｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ Ｂ，２０１１，８３（１４）：１４９８－ １５０４． ［６５］ ＸＵ Ｙ，ＦＥＧＡＤＯＬＬＩＷＳ，ＧＡＮＬ，ｅｔａｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅａｌｉｚａ－ ｔｉｏｎｏｆＢｌｏｃｈｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎａｐａｒｉｔｙ－ｔｉｍｅｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓｉｌｉｃｏｎｐｈｏ－ ｔｏｎｉｃｌａｔｔｉｃｅ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１６，７：１１３１９． ［６６］ ＬＩＪ，ＣＨＥＮＳ，ＹＡＮＧ Ｈ，ｅｔａｌ．Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌｉｇｈｔ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｐｈａｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｕｓｉｎｇｐｌａｓｍｏｎｉｃｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅｓ ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１５，２５（５）：７０４－７１０． ［６７］ 董国艳，毕科，周济．具有零相移传输性质的超材料研究［Ｊ］． 中国科学，２０１４，４４（４）：４０６－４１６． ＤＯＮＧＧＹ，ＢＩＫ，ＺＨＯＵＪ．Ｚｅｒｏｐｈａｓｅｄｅｌａｙｉｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｔｉａＳｉｎｉｃａ，２０１４，４４（４）：４０６－４１６． ［６８］ ＳＵＮＪ，ＬＩＴＣＨＩＮＩＴＳＥＲＮ Ｍ，ＺＨＯＵＪ．Ｉｎｄｅｆｉｎｉｔｅｂｙｎａｔｕｒｅ： ｇｒｏｍｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｔｏｔｅｒａｈｅｒｔｚ［Ｊ］．ＡＣＳＰｈｏｔｏｎｉｃｓ．２０１４，１（４）： ２９３－３０３． ［６９］ ＭＡＹＧ，ＬＡＮＬ，ＪＩＡＮＧ Ｗ，ｅｔａｌ．Ａｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｃｌｏａｋｅｘ－ ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｒｅｓｃａｌｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｗｉｔｈａｎｉｓｏ－ ｔｒｏｐｉｃｔｈｅｒｍａｌｄｉｆｆｕｓｉｖｉｔｙ［Ｊ］．ＮＰＧＡｓｉａＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１３，５：ｅ７３． ［７０］ ＸＵＳ，ＸＵ Ｈ，ＧＡＯＨ，ｅｔａｌ．Ｂｒｏａｄｂａｎｄｓｕｒｆａｃｅ－ｗａｖｅｔｒａｎｓｆｏｒ－ ｍａｔｉｏｎｃｌｏａｋ［Ｊ］．ＰＮＡＳ，２０１５，１１２（２５）：７６３５－７６３８． ［７１］ 方振华，罗春荣，赵晓鹏．银树枝左手超材料的反常古斯－汉欣 位移［Ｊ］．光学学报，２０１５，３５（３）：０３１６００１． ＦＡＮＧＺＨ，ＬＵＯＣＲ，ＺＨＡＯＸＰ．ＮｅｇａｔｉｖｅＧｏｏｓ－Ｈａｎｃｈｅｎｓｈｉｆｔ ｏｆｌｅｆｔ－ｈａｎｄｅｄ－ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｌｖｅｒｄｅｎｄｒｉｔｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ［Ｊ］．ＡｃｔａＯｐｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１５，３５（３）：０３１６００１． ［７２］ 屈绍波，王甲富，马华，等．超材料设计及其在隐身技术中的应用 ［Ｍ］．北京：科学出版社，２０１３． ＱＵＳＢ，ＷＡＮＧＪＦ，ＭＡ Ｈ，ｅｔａｌ．ＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐ－ ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＳｔｅａｌｔｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＳｃｉｅｎｃｅＰｒｅｓｓ，２０１３． 基金项目：国家自然科学基金项目（５１５３２００４，１１２７４１９８）；博士 后 项 目 基金（２０１５Ｍ５８００９４） 收稿日期：２０１６－０４－０９；修订日期：２０１６－０５－１７ 通讯作者：周济（１９６２－），男，教授，研究方向为超材料，信 息 功 能 材 料 与元件，联系地址：北京市海淀区成府路清华大学材料学院（１０００８４）， Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｊｉ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ ● ２１８