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”。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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）