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Science封面:“奇葩”超材料,你压它就扭

超材料(Metamaterial),指具有天然材料或常规材料所不具备的超常性质的人工合成材料。[1] 简单点说,超材料往往具有“不按常理出牌”的性能。迄今,科学家们开发出的超材料有很多,下面先举几个例子。


1987年,Poderick Lakes在Science 杂志上发表文章,成功制备出一种负泊松比(Negative Poisson's Ratio)效应的泡沫材料,即,这种材料在拉伸时横向发生膨胀;而受压缩时材料的横向反而发生收缩[2]

常规材料和负泊松比超材料受压时的比较。图片来源:Science [9]


再比如,一般材料介电常数ε和磁导率μ都大于零。1968年,苏联理论物理学家Veselago预测存在同时具有负介电常数和负磁导率的材料。2000年,这种材料首次被制备出来,并呈现出负折射率[3] 因此其电场E、磁场H与波矢k符合左手螺旋关系,故称之为“左手材料”。

负折射率示意图。图片来自网络


2006年,J. B. Pendry [4] 和U. Leonhrdt [5] 各自独立提出了基于超材料的“隐身斗篷”,并将结果发表在当年的Science 杂志上,他们通过合理设计超材料结构使电磁波“弯曲”,引起了科学界的巨大轰动。隐身材料随后成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科热门的研究领域之一。尽管,目前超材料用于隐身还处于理论研究和实验阶段,有报道称,美国军方已要求企业研发“隐形面料”。一旦该技术获得突破,将在伪装和目标隐身方面大有用武之地,实现真正意义上的隐身飞机、隐身航天器等都将不再是梦想。

一种“隐形斗篷”的原理示意图。图片来源:Science [6]


2016年,哈佛大学的F. Capasso教授团队使用高纵横比的二氧化钛纳米阵列构成“超表面(metasurfaces)”,得到的超材料镜头比一张纸还要薄,但却可以将图像放大170倍,而且图像质量还和当前世界上最先进的光学成像系统相当。这种超级镜头也登上了Science 杂志的封面(点击阅读详细[7]


形形色色的超材料完全打破了人们的固有认知,对于相关研究及应用领域产生了深远的影响。2010年,超材料也被Science 杂志评为过去十年中人类最重大的十项科技突破之一。


近日,德国卡尔斯鲁厄理工学院Martin Wegener教授课题组在Science 以封面文章的形式报道了一种新的超材料,这种超材料在外力压缩下会产生扭转

当期杂志封面。图片来源:Science


这听起来完全不符合有着超过300年历史的力学弹性理论基本定律——胡克定律(Hooke's law),即,在材料的弹性范围内,“固体材料受到的力和形变成正比”。Wegener教授等人通过大量的计算和优化,设计了一种特殊的单元结构,这种具有手性的单元结构在应力作用下展现出不对称的形变——并没有像常规材料那样发生横向形变,而是发生了扭转。

超材料受压后扭转。图片来源:Science


在经典力学中,由于自由度的约束,形变对应力的响应也受到限制。比如弹簧,正常的压缩不会造成固体材料的扭曲。然而,通过设计手性的结构单元,非中心对称结构可以在外力作用下产生扭曲的效果,每个轴向的扭曲度高达2°/%。将这类结构单元进行堆叠之后,研究者惊奇的发现,形成的宏观材料仍然展现出了受力旋转的特性。

常规材料(A)与超材料的区别(B),超材料单元结构示意图(C, D)。图片来源:Science


超材料单元结构扭曲原理图。图片来源:Science


研究者设计了多种不同的结构单元,并尝试计算机模拟它们的受力旋转的角度。然而和最终获选的结构单元(下图A)相比,其余结构单元的制作要求更高。特别是,他们在3D激光微打印过程中包含更多的悬垂结构,不利于宏观材料的制备。

几种不同的结构单元。图片来源:Science


随后,研究者尝试了不同重复单元对材料的影响,实验结果与计算模拟结果基本保持一致。尽管由于固定材料尺寸的增加,超材料刚度的增加,当重复单元从4个增加到500个后,整体材料的旋转量减少了一半,但仍然具有旋转的特性。相比之下,具有非手性结构单元的材料无论如何积压,旋转始终严格是0。

手性单元(A-E)和非手性单元对照(F)的宏观堆叠材料结构。图片来源:Science


“我认为超材料的概念已经渐渐深入许多不同领域,”Martin Wegener教授说,“一开始是在电磁学领域引起热潮,后来进入了一些完全不同的领域,如热力学,以及再后来的机械力学中。”


“尽管将直线运动转化为旋转这个想法早已有之,[8] 然而通过超材料将其实现是最大的进展,” Corentin Coulais在同一期Science 的评论文章里 [9] 写到,“他们在朝着这个目标迈出了重要的一步”。


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Three-dimensional mechanical metamaterials with a twist

Science, 2017, 358, 1072-1074, DOI: 10.1126/science.aao4640


参考文献

1. Kshetrimayum, R. S. A Brief Intro to Metamaterials. IEEE Potentials, 2004, 23: 44-46.

2. Lakes R.. Foam Structures with a Negative Poisson's Ratio. Science, 1987, 235: 1038.

3. Smith D. R., Padilla W. J., Vier D. C., et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity. Physical Review Letters, 2000, 84: 4184.

4. Pendry J. B., Schurig D., Smith D. R. Controlling Electromagnetic Fields. Science, 2006, 312: 1780-1782.

5. Leonhardt U. Optical conformal mapping. Science, 2006, 312: 1777-1780.

6. Ni X., Wong Z. J., Mrejen M., et al. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science, 2015, 349: 1310-1314.

7. Khorasaninejad M., Chen W. T., Devlin R. C., et al. Metalenses at visible wavelengths: Diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging. Science, 2016, 352: 1190-1194

8. Bhattacharya K., James R. D., Science, 2005, 307, 53.

9. Coulais C., As the extension, so the twist. Science, 2017, 358, 994-995


(本文由小希供稿)


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