科学家创造出超材料设计方法,哈利·波特的隐身衣或将成为现实 | 黑科技

研究团队提出的设计办法将会推动超材料的应用和产出。

基于量子力学原理,加州理工学院(CIT)和瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)的工程师们联合研究出一种设计超材料的系统性办法,为超材料的应用开发搭建了一个基本的框架。

新材料的一种:超材料

超材料是什么?

《哈利·波特》中的这款隐身衣采用的就是一种负折射率超材料。

虽然看起来很炫酷,但事实上这种材料的成分没有什么特别之处,其奇特性质主要源于材料本身精密的几何结构以及尺寸大小。

超材料是一种新型、具有特殊性质的人工材料,一般的材料都是由原子组成,而超材料的最小组成单元是可以自由设计的。它拥有一些特别的性质,如让光、电磁波改变它们通常的性质。

目前,对于超材料的研发主要还处于理论研究和负折射率超材料的研制上。

图 | 左边折射率为正 右边折射率为负

在2001年,Science杂志上刊载了美国Smith教授及其团队的研究成果,他们成功制备了在微波波段具有负折射率的材料;后来在2006年,依据负折射率特性,J. B. Pentry教授在微波波段提出了隐身斗篷的概念,即材料可以完全吸收光线;近日,哈佛大学研究团队也研发出了一种将所有可见光聚集到一个点的滤镜,为VR/AR硬件上的创新带来可能。

不被认可的超材料

痛点在缺乏实际成果

对于超材料,大多数人认为现在只是在炒作这一概念,并没有实际意义。这主要是因为现有的实际成果十分之少,且都尚处于实验室阶段。

CIT和ETH的研究团队看见了这样的痛点,Chiara Daraio教授就表示,包括自己的材料研究在内,目前所有的实验尝试都是随机的,并没有一个系统的方法来指导和支撑大家进行开发和研究,所有研究进度受到了阻碍。

为了解决这个问题,Daraio教授领导的研究团队将研究方向转到了量子力学领域。对此,Daraio解释道:“每个粒子都是微小的物质,并且与相邻的物质保持一种联系,当入射波进入时,粒子,或者与相邻粒子的共同作用会对其作出反应。我们就恰好通过研究粒子的特性,然后将这一设计应用到宏观材料的设计上。”

理论到实际,只需一台计算机

作为这一系统性办法的证明,Daraio教授的团队据此通过计算机模拟出了10×10厘米的硅晶片,其该硅晶片由100个通过相互连接的小板组成。当晶片被超声波刺激时,只有角部的板振动,其他板块仍然保持静止。

此外,Daraio团队还基于该方法对此前研究的一系列矩形毫米板制成的超材料进行设计上的调整,结果他们很快就创造了一个完美的声学透镜,这款透镜可以聚焦声音而不会丢失信号。

结语

这一方法的提出对于超材料的实际应用有极大的推动作用,对于未来的应用,Daraio教授表示,这项工作也可用于设计光学超材料、天线和光学信号处理设备。

原文发布于微信公众号 - 镁客网(im2maker)

原文发表时间:2018-01-19

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