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超材料最新十大研究进展

2018-06-13 14:07:03
作者:本网整理
来源:材料+

"超材料(metamaterial)"指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料 。"超材料"(Metamaterial)是21世纪以来出现的一类新材料,其具备天然材料所不具备的特殊性质,而且这些性质主要来自人工的特殊结构。.

     1什么是超材料

    “超材料(metamaterial)”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料 。“超材料”(Metamaterial)是21世纪以来出现的一类新材料,其具备天然材料所不具备的特殊性质,而且这些性质主要来自人工的特殊结构。

    超材料的设计思想是新颖的,这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制,从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下,人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”,把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地 。

    典型的“超材料”有:“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料” 、“金属水”。

    2超材料的种类
 
    1、自我修复材料--仿生塑料
 
    伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”,当出现破损时,液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料,这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝 。

    2、热电材料
 
    一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热点发电机,它可被直接插入普通发电机的排气管,从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料,名为黝铜矿,据称可达到5-10%的能效。科学家们已经在研究能效更高的热电材料,名为方钴矿,一种含钴的矿物。

    热电材料目前已经开始了小规模的应用--比如在太空飞船上--但方钴矿具备廉价和能效高的特点,可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管 。

    3、钙钛矿
 
    除晶体硅外,钙钛矿也可可用来制作太阳能电池的替代材料 。在2009年,使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了2014年,这一数字已经提升到了19.3%。相比传统晶体硅电池超过20%的能效。科学家认为,这种材料的性能依然有提升的可能 。

    钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别,它们可以包含任意数量的元素,用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅,这些原材料要便宜得多,且能被喷涂在玻璃上,无需在清洁的房间当中精心组装。

    4、气凝胶
 
    气凝胶可由任意数量的物质所制成,包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。由于空气占了绝大部分比重,气凝胶还是一种绝佳的绝缘体。它的结构也赋予其超高的强韧性 。

    NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶,作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料 。

    5、Stanene--导电率100%的材料
 
    和石墨烯一样,Stanene也是一种由单原子层所制作的材料。但由于使用了锡原子而非碳原子,这使其具备了石墨烯所无法实现的特性:100%的导电率。

    Stanene在2013年由斯坦福大学张首晟教授首次进行了理论化。预测Stanene这类材料的电子属性是张教授的实验室所擅长的领域之一,根据他们的模型,Stanene是一种拓扑绝缘体,也就是说,它的边缘是导体,而内部是绝缘体。这样一来,Stanene就能在室温下以零阻力导电。

    6、光操纵材料
 
    光操纵超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射,它或许真的可以让物体隐形。根据制作方式和材料的不同,超材料还能散射微波、无线电波、和不太为人所知的T射线。实际上,任何一种电磁频谱都能被超材料所控制 。

    3超材料最新研究进展
 
    国外许多国家都在发展超材料,相比于不少国家相对分散的发展模式,中国在超材料领域的发展模式则更加聚焦和有力。我国已分别在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面,我国企业取得了多项原创性成果,并在世界超材料产业化竞争中占到先机。

    有调研公司预测,超材料全球市场规模在2010-2020年间将以高达41%的年复合增长率发展。可以预计,随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大,一个可带动诸如高速列车、新型地面行进装备、航空航天、国防科技、地面智能机器人等领域的千亿规模的超材料产业集群正在崛起。

    利用驾驭电磁波的超材料技术来建造未来世界,正在成为全球科技创新的又一焦点。

    今天小编就汇总了,关于超材料十大最新研究进展,希望,给正在进行超材料研究的同学提供一些科研思路。

    1、折纸超材料的拓扑运动学——新一代“无耗能电子材料”
 
 
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    “拓扑”(topology)这一概念的引入极大地推动了凝聚态物理学的飞速发展,诞生了诸如拓扑绝缘体(topological insulator)、外尔半金属(Weyl semimetal)等新一代“无能耗”电子材料。实际上,拓扑的概念广泛适用于各种非电子材料,并且可用于理解各种看似无关的现象。最近,受“折纸”(origami)这一儿时游戏的启发,来自康奈尔大学的Itai Cohen课题组、加州大学美熹德分校的Bin Liu、哈佛大学的JesseL. Silverberg等科研机构的研究人员将拓扑学原理应用于折纸力学超材料(origami-inspired mechanical metamaterials)中,并演示如何通过剪裁折痕配置空间(crease configuration-space)的拓扑来指导其运动学机理。具体来说,他们通过简单地改变折痕的角度,来修改配置空间拓扑结构,并驱动折纸结构从平稳和不断变形的状态转变为力学双稳态和刚性状态(bistable andrigid)。此外,他们还研究了如何使用拓扑脱节配置空间(disjointed configuration space)来限制单个折叠片的局部可控变形。尽管,对折纸结构的分析通常依赖于其本构关系,但他们所提出的拓扑学抽象概念可用于深入分析、理解和设计更具普适意义的超材料。该研究工作发表在最近的《Nature  Physics》中。

    文章链接:Bin Liu,Jesse L. Silverberg, Arthur A. Evans, Christian D. Santangelo, Robert J. Lang,Thomas C. Hull & Itai Cohen, Topological kinematics of origami metamaterials, Nature Physics (2018)。DOIhttps://doi.org/10.1038/s41567-018-0150-8
 
    2、在任意k点具有折射率椭球面的新型超材料
 
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    在介质中,电磁波的传播行为是由等频面(equifrequency surface)控制的。到目前为止,包括介质在内的普通材料和超材料的等频面(椭球体或双曲面体)总是以零k点为中心。然而,来自香港科技大学的C.T. Chan教授课题组、英国伦敦帝国理工学院的John B. Pendry教授以及苏州大学的Bo Hou教授提出了一种新型超材料——Wire Metamaterial,它拥有以任意非零k点为中心的多个折射率椭球(index ellipsoid)。它们在动量空间中的位置取决于一套相互贯穿金属支架(interpenetrating metallic  scaffold)的连通性,而模式的群速度由结构几何细节决定。这种新型超材料的性质源自于全局的可连接性(global connectivity),因此可以在诸如负折射(negative refraction)、取向依赖的耦合效应以及无壁腔体(cavity without walls)等应用中具有宽带性质,并且它们与带宽受限的普通共振超材料具有本质上的差异。研究人员还进行了微波实验,来验证该超材料体系的宽谱负群速度、取向依赖的耦合效应。相关研究发表在近期的《Nature Communications》上。

    文章链接:Wen-Jie Chen,Bo Hou, Zhao-Qing Zhang, John B. Pendry & C. T. Chan, Metamaterials with index ellipsoids at arbitrary k-points, Nature Communications 9, Article number: 2086 (2018)。

    3、腔量子声学器件在多模强耦合系统中的研究
 
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    量子比特(qubit)不但是实现量子计算的基础,也是研究量子力学本质问题的有力工具。近年来,在腔量子电动力学系统基础上发展起来的电路量子电动力学系统(circuit quantum electrodynamics system)是一种全新的量子比特,由于在退相干时间等参数上远远超出之前的超导量子比特,因此受到了极大的关注。来自科罗拉多大学Boulder分校的研究人员展示了一种电路量子电动力学系统的声学类比体系,该系统利用声学性质在色散区间中实现了多模强耦合(strong multimode  coupling),同时抑制自发辐射至非限制模式(unconfined mode)。具体而言,该声学体系包含一个与磁通可调transmon相耦合的300μm长的声表面波谐振器(surface acoustic wave resonator)。对于某些特定的模式,量子比特腔(qubit-cavity)耦合达到6.5 MHz,超过了腔损耗率(200 kHz)、qubit线宽(1.1 MHz)和腔自由光谱范围(4.8 MHz),表明器件处于强耦合状态和强多模态区域。正如对声子自发辐射的预期,随着量子比特从腔受限模式中解谐,可以观察到量子比特线宽强烈地依赖于声子的频率;并且基于研究结果,获得了抑制这种发射速率的工作频率。该工作发表在近期的《Physical Review Letters》上。

    文章链接:Bradley A.Moores, Lucas R. Sletten, Jeremie J. Viennot, and K.?W. Lehnert, Cavity QuantumAcoustic Device in the Multimode Strong Coupling Regime, Phys. Rev. Lett. 120,227701 – Published 30 May 2018.

    4、二维声子腔中的量子效应研究
 
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    随着体系特征尺寸的减小,相关物理机制的描述将从经典物理变为量子物理。近年来,纳米技术的进步使得我们能够在更小的尺度上对电子、光子、声子的量子行为开展研究。最近,来自莫斯科物理技术学院、MISiS、莫斯科国立师范大学、伦敦大学皇家霍洛威学院等机构组成的研究团队在声表面波谐振器(surface acoustic wave resonator)中,通过与人造超导原子的相互作用而产生的真空拉比模式分裂(Rabi mode splitting)来实现quantum regime。由于声表面波器件由大量较窄的金属条带(metal strip)组成,因此在物理上和实验技术上都具有具有一定的挑战性。在低于20mK的极低温度下,研究人员观测到了透射图谱的反交叉型特征峰,表明该体系是一个典型的两能级系统,并且与理论计算保持一致。这项工作为利用声子实现量子光学现象的类比铺平了道路,并可用于片上量子电子学器件的应用研究。该研究工作发表在近期的《Physical Review Letters》上。

    文章链接:Aleksey N.Bolgar, Julia I. Zotova, Daniil D. Kirichenko, Ilia S. Besedin, Aleksander V.Semenov, Rais S. Shaikhaidarov, and Oleg V. Astafiev, Quantum Regime of a Two-Dimensional Phonon Cavity, Phys. Rev. Lett. 120, 223603 – Published 31 May2018.

    5、复杂等离子体场的宽带与动态构建
 
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    相干表面等离子激元极化基元(surface plasmon polariton, SPP)场的剪裁设计(tailor),为许多纳米光子应用带来了全新的机遇。在以往的研究中,基于光斑系综(an ensemble of spots)已经实现了聚焦SPP斑点的扫描和SPP场分布的设计。然而,由于SPP通常是被高亮度、相干的激光所激发,因此相邻光斑之间的干扰是不可避免的,并且会影响整体SPP场分布。近日,来自深圳大学的袁小聪教授、林佼教授领衔的研究团队,联合澳大利亚拉筹伯大学、皇家墨尔本理工大学和墨尔本大学的研究人员,通过考虑将相干场作为一个整体而非分立的光斑,报道了一个用以生成可剪裁二维SPP场分布的可重构(reconfigurable)和波长无关的研究平台。并且,这种技术可以实现单片SPP场相位梯度方向(即面内能量流的方向)的动态调控;其所需的相位信息是由入射激光束携带的,不需要引入与波长相关的纳米结构,因而可以用于各种波长的调控。基于该研究思路,可以拓展到许多不同的应用领域:例如,强度分布和能量流的有效控制将有可能实现利用等离子镊子对金属纳米粒子的动态控制;SPP的宽带激发能力可用于不同颜色SPP的产生、高速面内通信以及大容量数据存储。这种新方法揭示了2D相干场分布的固有约束条件,并且同样适用于声表面波等其他二维表面受限波动系统,在相关领域的结构设计与研究方面具有重要的指导意义。相关研究发表在近期的《Science Advances》上。

    文章链接:Shibiao Wei,Guangyuan Si, Michael Malek, Stuart K. Earl, Luping Du, Shan Shan Kou, XiaocongYuan, and Jiao Lin, Toward broadband, dynamic structuring of a complex plasmonic field, Science Advances 01 Jun 2018: Vol. 4, no. 6, eaao0533 DOI:10.1126/sciadv.aao0533
 
    6、具有全波操作的混合共振记忆超材料
 
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    “记忆超材料”(Memory metamaterials)是一类能够实现对电磁响应持久性调制(persistent tuning)的新兴人工微结构材料,通常由人工构成的谐振元件与自然记忆材料耦合而成,受电场、光线和热量等外部刺激的控制。尽管目前已经有多种自然界的记忆材料得到了应用,但仍缺少人们对基于铁磁材料(ferromagnetic materials)的记忆超材料研究。

    近日,来自韩国西江大学Kiejin Lee领衔的研究小组报道了基于“超材料-铁磁”混合共振(hybrid resonance)系统、在微波频段应用的记忆超材料。该研究验证了混合共振能够以输入微波信号的频率和振幅为调制函数,并且可以可逆地调谐(tuned reversibly)。这种持久性混合共振调谐的基本原理是磁畴结构能够基于微波输入信号进行自适应的结构调制。相关研究发表在近期的《Advanced Functional Materials》上。

    文章链接:Hanju Lee, Shant Arakelyan, Barry Friedman, Kiejin Lee, Hybrid Resonance Memory Metamaterial with Full‐Wave Operation, First published: 18 May 2018https://doi.org/10.1002/adfm.201800760.

    7、基于纳米级热辐射的“热二极管”
 
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    “热整流器”(Thermal rectifier),通常也被称为“热二极管”(thermal diode),是一种与电子二极管热类似、实现热流非对称传输的热逻辑器件。尽管基于热对流效应(convection)和热传导的热二极管概念早已被提出,但是基于热辐射(thermal radiation)的固态热二极管却很少受到关注。

    最近,来自密歇根大学、德国奥登堡大学、法国泰勒斯研究与技术研究院的科研团队向我们展示了掺杂Si与氧化钒VO2表面之间的纳米级热辐射整流效应。具体来说,当温度梯度的方向发生反转时,VO2的“金属-绝缘体转变”能够使Si和VO2之间热辐射效率出现巨大差异,从而导致热流大小因温度梯度方向的改变而产生非对称传输。 进一步研究表明,这种整流效应在纳米级的表面分离时会得到增强,并且在~140nm的间隙和70K温差下达到超过50%的最大整流系数(rectification coefficient)。理论模型表明,这种高整流系数是由于金属态的VO2与Si表面具有较宽的辐射光谱,而其与绝缘态的VO2只有较窄的辐射光谱和热传输。这项工作成功证明了基于近场热辐射效应实现热力学整流现象的可行性,为基于纳米辐射的信息处理设备和热管理方法的构建点明了关键的方法和部件。相关研究发表在近期的《ACS Nano》上。

    文章链接:Anthony Fiorino, Dakotah Thompson, Linxiao Zhu, Rohith Mittapally, Svend-Age Biehs, Odile Bezencenet, Nadia El-Bondry, Shailendra Bansropun, Philippe Ben-Abdallah, Edgar Meyhofer , and Pramod Reddy, A Thermal Diode Based on Nanoscale Thermal Radiation, ACS Nano, Article ASAP, DOI: 10.1021/acsnano.8b01645.

    8、用于超宽带雷达截面降低和漫散射的均匀分层编码超材料
 
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    雷达散射截面(Radar Cross section, RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念,它代表了目标在雷达波照射下所产生回波强度的物理量:雷达截面积越小,雷达对目标的信号特征就越小,探测距离也越短。为了减少结构的RCS,人们通常在物体表面设计雷达吸收超材料(radar absorbing metamaterials)或是采用180°反相干涉,来消减反射波的强度来增强对雷达微波的吸收,然而这两种方法都需要在较窄的带宽内工作。因此,近年来人们提出一种平面棋盘状超表面结构(planar chessboard-like metasurface)来实现宽带的RCS减弱,特别是基于编码超表面(coding metasurface)或数字超表面(digital metasurface)的概念已经达到了较宽的工作带宽。最近,来自中国传媒大学的李增瑞教授课题组、内布拉斯加大学林肯分校的Yaoqing (Lamar) Yang教授、电磁散射重点实验室的殷红成研究员和北京交通大学的王均宏教授提出了一种新型的非均匀分层编码超材料瓦片(metamaterial tile),可以用来实现超宽带的RCS降低和电磁波漫散射(diffuse scattering)。

    超材料瓦片由两种不同层厚的方形环基元(unit cell)组成,两个基元之间在一个超宽频段范围内实现了180°(±37°)的反射相位差;由于基元之间的相位抵消,超材料瓦具有偏离法线方向的四个强波瓣(strong lobes)的散射图案。超材料瓦片及其90度旋转可以被编码为覆盖物体的‘0’和‘1’元素,并且可以通过优化相位分布的手段来实现漫散射模式,从而实现单体和双静态RCS的同时减少。超材料瓦片在法向入射时可实现从6.2GHz至25.7GHz宽谱范围内的-10dB RCS降低,比例带宽(ratio bandwidth)为4.15:1,该测量结果和模拟结果非常吻合,展现出超材料瓦片在电磁隐身和其他微波应用的巨大潜力。该研究结果发表在最近的《Scientific Reports》上。

    文章链接:Jianxun Su, Huan He, Zengrui Li, Yaoqing (Lamar) Yang, Hongcheng Yin & Junhong Wang, Uneven-Layered Coding Metamaterial Tile for Ultra-wideband RCS Reduction and Diffuse Scattering, Scientific Reports volume 8, Article number: 8182 (2018)。 doi:10.1038/s41598-018-26386-5.

    9、由3D打印PETG预制棒制成的中红外中空内芯微结构光纤
 
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    中红外(Mid-infrared)光纤长期以来以其在安全、生物和化学传感等方面的广泛应用,引起了科研人员的极大兴趣。传统意义上,这类光纤的制备研究主要集中在中红外波段吸收率低的材料,如硫族化合物,然而这些材料往往难以控制并且通常含有高毒性元素。最近,来自英国南安普顿大学和巴西坎皮纳斯州立大学的研究人员向我们演示了在中红外波段具有光学导波特性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PETG)空心光纤(HCF),通过使用商业的3D打印技术制造具有特定结构的塑料预制棒,然后使用常规的光纤拉伸装置进行拉制,成功制备出外径为466μm、中空直径为225μm的PETG中空内芯微结构光纤,在3.5-5μm波长范围内实现了良好的光学导波效果。相关研究发表在最新一期的《Scientific Reports》上。

    文章链接:Wanvisa Talataisong, Rand Ismaeel, Thiago H. R. Marques, Seyedmohammad Abokhamis Mousavi, Martynas Beresna, M. A. Gouveia, Seyed Reza Sandoghchi, Timothy Lee, Cristiano M. B. Cordeiro & Gilberto Brambilla, Mid-IR Hollow-core microstructured fiber drawn from a 3D printed PETG preform, Scientific Reportsvolume 8, Article number: 8113 (2018)。 doi:10.1038/s41598-018-26561-8.

    10、高性能超薄手性超材料
 
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    手性超材料(Chiral Metamaterial)是一种能够基于光波或声波的手性特征,在更大的自由度上对其进行任意调控的超构材料。其中,主动式的光学手性超材料将有可能应用于新型光学传感器、调制器和光开关等。最近,来自德克萨斯大学奥斯汀分校的Yuebing Zheng、Mingsong Wang以及中山大学的JianwenDong研究团队研制出一种高性能的超薄手性超材料,实现了对光学手性特征的高度可调。他们将两层相同的金纳米孔阵列薄膜相互堆叠并以介质层隔开,形成二维moiré条纹,通过理论模拟和实验证实了近场耦合对手性光的影响。更进一步,他们使用丝素蛋白薄膜(silk fibroin)作为间隔层,通过特定溶剂对丝素蛋白薄膜的溶胀特性调控,实现了近场耦合以及手性光学特征的主动调节。令人印象深刻的是,在单个超薄(1/5波长厚度)结构中即可实现了超过半高宽波长范围的光谱偏移。最后,他们将该超材料作为超灵敏传感器,应用于检测低至200 ppm的痕量溶剂杂质,具有优于105 nm/RIU的超高灵敏度以及品质因子。相关研究在近期的ACS Nano上线。

    文章链接:Zilong Wu,Xiaodong Chen, Mingsong Wang, Jianwen Dong, and Yuebing Zheng, High-PerformanceUltrathin Active Chiral Metamaterials, ACS Nano (Article ASAP), DOI:10.1021/acsnano.8b02566.
 

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