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来自 澳门威利斯人608cc 2020-03-04 19:09 的文章
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讨论人士还依靠超材料薄层能让光线绕过物体的习性,超越天然质感的新型质地

超材料:会改写未来战争吗?

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许多看过《哈利波特》的人一定梦想过拥有一件哈利的隐身斗篷,如今,科学家真的有可能帮助人们实现这个愿望。美国研究人员日前在实验室里研制出了第一件“隐身衣”,不过它目前还只能在特殊的设备前隐藏小型物体。科学家认为,这一成果表明真正的视觉隐形装置将很快问世。10月20日,美国《科学》杂志网络版上刊登了一条振奋人心的消息,美国北卡罗莱纳州杜克大学的研究人员在隐形技术研究上实现了重大突破。

■许玥凡 李东海

还记得小说《哈利波特》中的隐身斗篷吗?或者你是否也向往能拥有变色龙一般瞬间变色的神奇皮肤?如今,借助可以弯曲光、改变波的超材料,这些原本听起来科幻味十足的场景或将变为现实。

这条消息报道说,这件“隐身衣”实际上是一种“二维隐形”技术的试验装置,需要“隐身”的物体就被放在这个圆圈型装置中央。当微波射向这个圆圈时会发生弯曲偏转,就像水流遇到障碍物要改变流向一样。由于微波并没有被物体反射回来,只是弯曲了之后继续前进,因此专门用来探测微波的仪器检测不到微波,可以说物体已经在这个检测仪器面前“隐身”了。设计这个装置的戴维史瑞格教授介绍弯曲微波的原理时说,这就像把缝衣针戳进布料一样,布料上的线条纹路只是被挤到旁边,而没有被戳断。

超越天然材料的新型材料

超材料是一种根据实际应用需要,对材料关键物理尺寸进行特殊设计,最终得到不同于常规材料性质的新型材料。作为当今最热门的新兴技术之一,超材料被《科学》杂志列为引发信息技术、国防工业、新能源以及微细加工重大变革的重要科学进展,美国国防部专门启动了关于超材料的专项研究计划。未来,超材料将在智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、隐身技术等众多领域得到广泛应用。

关于利用特殊材料实现隐形技术的假说在今年5月由英国科学家提出。伦敦帝国理工学院的约翰本德瑞教授及其同事当时发表论文说,理论上讲,可以引导光波绕过一个物体,使其好像完全没有被物体反射,从而实现隐形。而一种名为“超常介质”的材料具有这种本领。所谓“超常介质” 是一种人造结构,它具有天然物质所不具备的特性。科学家认为,要制造扭曲光波的“超常介质”,关键在于材料的结构特性而不是其成分。在这个二维试验装置中,他们用较简单的玻璃纤维上排列“C”形铜片作为“超常介质”。这种材料的性质能够被调节,当用该材料制造的隐形装置碰到光波或电磁波时,它既不产生反射也不形成影子,从而达到“隐身”效果。

作为人类社会发展的物质基础,材料是国防工业和经济发展必不可少的重要内容。目前,传统高性能材料越来越依赖各类稀缺资源,人们想在自然界中找寻具有超物理特性天然材料的尝试也一直收效甚微,必须另辟蹊径探寻超越常规材料性能极限的新型材料。直到21世纪初,美国研究人员才首次在实验室中利用微波技术发现了“隐身衣”的蛛丝马迹,也由此宣告了超材料的诞生。

超越天然材料的新型材料

美英科学家正在研究的“隐身衣”,其原理同隐形飞机不同。隐形飞机并不是真的看不见,而只是让它们不被雷达发现,从而很难被跟踪。而“隐身衣”却能让物体在观察者眼前真的“消失”。

作为当今世界材料学领域的热门词汇,其中的“超”就表示“超出、另类”的意思。超材料,主要指拥有天然材料所不具备的超常属性的人工复合材料,能实现天然材料望尘莫及的弯曲、散射或传输电磁波等特殊性能。超材料的发现使人们认识到,可对现有材料通过人工构建不同“模块”,形成超越天然材料的新型材料。超材料也因此被誉为“一种由材料组成的‘材料’”。

作为人类社会发展的物质基础,材料是国防工业和经济发展必不可少的重要内容。目前,传统高性能材料越来越依赖各类稀缺资源,人们想在自然界中找寻具有超物理特性天然材料的尝试也一直收效甚微,必须另辟蹊径探寻超越常规材料性能极限的新型材料。直到21世纪初,美国研究人员才首次在实验室中利用微波技术发现了隐身衣的蛛丝马迹,也由此宣告了超材料的诞生。

科学家说,视觉隐形材料可以用于军事领域,让军事设施、部队等从敌人眼前“彻底消失”。此外,隐形材料如果用于无线电通信,也可以减少某些物体对通信的阻碍。

事实上,研制超材料就是按照特定的规则组合,搭配出不同电磁响应属性的人工复合材料。这些材料的属性除由材料本身决定外,还与其结构的形状、尺寸、排列和组合方式等紧密相关。通过改变超材料关键位置的结构和尺寸,人们就可以像搭积木一般实现对光波、雷达波、无线电波、声波乃至地震波的任意弯曲和精细“裁减”。研究人员还借助超材料薄层能让光线绕过物体的属性,开始研究使物体无影无踪的“隐身斗篷”。

作为当今世界材料学领域的热门词汇,其中的超就表示超出、另类的意思。超材料,主要指拥有天然材料所不具备的超常属性的人工复合材料,能实现天然材料望尘莫及的弯曲、散射或传输电磁波等特殊性能。超材料的发现使人们认识到,可对现有材料通过人工构建不同模块,形成超越天然材料的新型材料。超材料也因此被誉为一种由材料组成的材料。

但也有科学家指出,所谓“隐身”,实际上难以躲过多波段电磁波的探测,能扭曲一种波长的材料,对其他波长的电磁波就无效了。研究人员也表示,这个用于演示原理的装置还非常粗糙,只是实现了平面上的隐形,下一步还将研制真正的三维隐形装置,来提高视觉隐形的效果。

目前,超材料最引人关注的属性包括负折射率、逆多普勒效应、超常电磁特性以及超分辨率成像等。也正是这些独具一格的物理特性,使得超材料的应用前景覆盖了基础工业、国防军事以及经济社会发展的方方面面。以具有超常电磁特性的电磁超材料为例,目前就已经在通信、制造、隐身、探测、核磁、太阳能以及微波利用等领域产生了深远影响。

事实上,研制超材料就是按照特定的规则组合,搭配出不同电磁响应属性的人工复合材料。这些材料的属性除由材料本身决定外,还与其结构的形状、尺寸、排列和组合方式等紧密相关。通过改变超材料关键位置的结构和尺寸,人们就可以像搭积木一般实现对光波、雷达波、无线电波、声波乃至地震波的任意弯曲和精细裁减。研究人员还借助超材料薄层能让光线绕过物体的属性,开始研究使物体无影无踪的隐身斗篷。

光天化日之下消失于无形

目前,超材料最引人关注的属性包括负折射率、逆多普勒效应、超常电磁特性以及超分辨率成像等。也正是这些独具一格的物理特性,使得超材料的应用前景覆盖了基础工业、国防军事以及经济社会发展的方方面面。以具有超常电磁特性的电磁超材料为例,目前就已经在通信、制造、隐身、探测、核磁、太阳能以及微波利用等领域产生了深远影响。

这将会是发生在未来战场上的一幕。战斗打响后,驾驶隐形车、身披隐身衣的一方,在敌人看不到自己时却对战场态势“洞若观火”,战争胜败的天平也自然会向拥有“隐身斗篷”的一方倾斜。

光天化日之下消失于无形

近年来,能用作“隐身衣”的超材料得到各军事大国的竞相研发投入,力图实现战场上的“单向透明”。

这将会是发生在未来战场上的一幕。战斗打响后,驾驶隐形车、身披隐身衣的一方,在敌人看不到自己时却对战场态势洞若观火,战争胜败的天平也自然会向拥有隐身斗篷的一方倾斜。

与以往人们希望在夜空或深海中悄然藏匿所不同,超材料就是一种让任何物体在光天化日之下消失于无形的“魔法术”。目前,研究人员已经通过网格状金属合金超材料研制出一种“隐身斗篷”,能捕获、存储或操控光线。近年来,人们还制造出了纸片厚度的超材料薄片,把“隐身斗篷”穿到身上或许只是时间问题。

近年来,能用作隐身衣的超材料得到各军事大国的竞相研发投入,力图实现战场上的单向透明。

正是意识到超材料广泛的应用前景,以美国为首的西方国家相继投入巨资用于这一重要战略前沿技术研究。美国空军科学研究办公室和美国国防部高级研究计划局也相继开展超材料技术研究,美国陆军还专门研究了在特定电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身超材料。

与以往人们希望在夜空或深海中悄然藏匿所不同,超材料就是一种让任何物体在光天化日之下消失于无形的魔法术。目前,研究人员已经通过网格状金属合金超材料研制出一种隐身斗篷,能捕获、存储或操控光线。近年来,人们还制造出了纸片厚度的超材料薄片,把隐身斗篷穿到身上或许只是时间问题。

英特尔、AMD和IBM等6家美国半导体公司还专门成立了资助超材料研究的联合基金,包括波音公司、洛克希德·马丁公司和BAE系统公司等军工巨头也不甘在超材料研究中掉队。据统计,美国军方共支持了超过100家企业开展超材料应用研究,领域涵盖雷达、导弹天线罩、吸波材料、电子干扰箔条、通信天线和隐身技术等。

正是意识到超材料广泛的应用前景,以美国为首的西方国家相继投入巨资用于这一重要战略前沿技术研究。美国空军科学研究办公室和美国国防部高级研究计划局也相继开展超材料技术研究,美国陆军还专门研究了在特定电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身超材料。

除军事应用外,荷兰研究人员已经利用超材料研制出一款可编程的智能橡胶,未来人们将有望穿上根据地面软硬度自动进行调节的鞋子。法国科学家还希望通过对超材料墙壁和地面精确打孔来转移地震波,进而实现防震减灾。

英特尔、AMD和IBM等6家美国半导体公司还专门成立了资助超材料研究的联合基金,包括波音公司、洛克希德马丁公司和BAE系统公司等军工巨头也不甘在超材料研究中掉队。据统计,美国军方共支持了超过100家企业开展超材料应用研究,领域涵盖雷达、导弹天线罩、吸波材料、电子干扰箔条、通信天线和隐身技术等。

此外,超材料还被广泛应用于生物成像、生化探测、癌症治疗等领域。电磁超材料太阳能电池将进一步提高光电转换效率,人们还研制出了一款可在任何地方连接卫星网络的电磁超材料可折叠天线。

除军事应用外,荷兰研究人员已经利用超材料研制出一款可编程的智能橡胶,未来人们将有望穿上根据地面软硬度自动进行调节的鞋子。法国科学家还希望通过对超材料墙壁和地面精确打孔来转移地震波,进而实现防震减灾。

将在军事领域“大显神通”

此外,超材料还被广泛应用于生物成像、生化探测、癌症治疗等领域。电磁超材料太阳能电池将进一步提高光电转换效率,人们还研制出了一款可在任何地方连接卫星网络的电磁超材料可折叠天线。

正所谓“一代材料,一代装备”。新型材料的诞生与发展,必然会推动武器装备和作战样式出现重大变革。

将在军事领域大显神通

超材料技术虽然发展时间不长,但由于可使武器装备获得压倒性的不对称战略优势,早已得到具体应用。与常规材料相比,超材料具备新奇人工结构、超常规物理属性和“按需定制”设计思路等基本特征。这些拥有巨大应用潜力和广阔发展空间的超材料,也将在未来军事应用中“大显神通”。美国F-35战斗机、B-2轰战机以及DDG-1000滨海战斗舰上都应用有超材料技术。

正所谓一代材料,一代装备。新型材料的诞生与发展,必然会推动武器装备和作战样式出现重大变革。

隐身一直是超材料“出镜率”最高的应用方向,主要包括声波隐身、光波隐身、电磁波隐身和触觉隐身等。2014年,美国研究人员研制出一款三维声波“隐身斗篷”。这种声波隐身装置利用超材料,使得入射声波沿“斗篷”表面传播而不发生反射或透射,未来有望应用于主动声呐对抗。此外,美国海军还开发出一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术,就是在潜艇艇壳外覆盖的静音材料中加入超材料,实现对声波传输的引导,有可能改写未来水下战场的“游戏规则”。

超材料技术虽然发展时间不长,但由于可使武器装备获得压倒性的不对称战略优势,早已得到具体应用。与常规材料相比,超材料具备新奇人工结构、超常规物理属性和按需定制设计思路等基本特征。这些拥有巨大应用潜力和广阔发展空间的超材料,也将在未来军事应用中大显神通。美国的一些先进武器装备上就应用有超材料技术。

在光波隐身领域,加拿大研究人员曾研制出一款名为“量子隐身”的超材料,能通过使周围光线折射弯曲来实现隐身效果。这种隐身超材料不仅能“骗”过人的肉眼,遇到军用夜视仪、红外探测器等先进技术装备也一样可以成功“脱身”。这种光波隐身材料不仅可用于地面部队昼间突袭,还可应用于新一代隐形战机、舰艇和坦克。此外,研究人员还利用机械超材料实现了可屏蔽触觉的“隐身斗篷”,即便是用手触摸都无法感觉到突出物体的存在,或将在未来军事应用中开辟出一番新天地。

隐身一直是超材料出镜率最高的应用方向,主要包括声波隐身、光波隐身、电磁波隐身和触觉隐身等。2014年,美国研究人员研制出一款三维声波隐身斗篷。这种声波隐身装置利用超材料,使得入射声波沿斗篷表面传播而不发生反射或透射,未来有望应用于主动声呐对抗。此外,美国海军还开发出一种名为金属水的潜艇声隐身技术,就是在潜艇艇壳外覆盖的静音材料中加入超材料,实现对声波传输的引导,有可能改写未来水下战场的游戏规则。

天线与天线罩也是超材料的另一“用武之地”。应用在导弹、雷达和航天器天线上的超材料,能大幅度降低天线能耗,拓展工作带宽,还将增强天线的聚焦性和方向性。美军新一代E-2“鹰眼”预警机就通过采用超材料大幅提升了雷达探测能力,美国雷神公司还专门为导弹研制了超材料天线罩,能使穿过导弹天线罩的电磁波不产生折射,进而提升导弹的打击精度。

在光波隐身领域,加拿大研究人员曾研制出一款名为量子隐身的超材料,能通过使周围光线折射弯曲来实现隐身效果。这种隐身超材料不仅能骗过人的肉眼,遇到军用夜视仪、红外探测器等先进技术装备也一样可以成功隐身。这种光波隐身材料不仅可用于地面部队昼间突袭,还可应用于新一代隐形战机、舰艇和坦克。此外,研究人员还利用机械超材料实现了可屏蔽触觉的隐身斗篷,即便是用手触摸都无法感觉到突出物体的存在,或将在未来军事应用中开辟出一番新天地。

此外,科研人员试图研制一种通信用超材料平面天线,在提升无人机通信性能的同时进一步减少天线数量,或将带来天线设计的划时代变革。

天线与天线罩也是超材料的另一用武之地。应用在导弹、雷达和航天器天线上的超材料,能大幅度降低天线能耗,拓展工作带宽,还将增强天线的聚焦性和方向性。美军新一代E-2鹰眼预警机就通过采用超材料大幅提升了雷达探测能力,美国雷神公司还专门为导弹研制了超材料天线罩,能使穿过导弹天线罩的电磁波不产生折射,进而提升导弹的打击精度。

此外,科研人员试图研制一种通信用超材料平面天线,在提升无人机通信性能的同时进一步减少天线数量,或将带来天线设计的划时代变革。

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