什么是“超材料”

“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料 ?！俺牧稀保∕etamaterial）是21世紀以來出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來自人工的特殊結(jié)構(gòu) 。

超材料的設(shè)計思想是新穎的，這一思想的基礎(chǔ)是通過在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計來突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設(shè)計思想昭示人們可以在不違背基本的物理學規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計和開發(fā)帶入一個嶄新的天地 。

典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料” 、“金屬水”。

六類超材料

1、自我修復(fù)材料——仿生塑料

伊利諾伊大學的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫 。

2、熱電材料

一家名為Alphabet Energy的公司開發(fā)出了一種熱點發(fā)電機，它可被直接插入普通發(fā)電機的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達到5-10%的能效 ?？茖W家們已經(jīng)在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物 。

熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用——比如在太空飛船上——但方鈷礦具備廉價和能效高的特點，可以用來包裹汽車、冰箱或任何機器的排氣管 。

3、鈣鈦礦

除晶體硅外，鈣鈦礦也可可用來制作太陽能電池的替代材料[ 。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉(zhuǎn)化率。到了2014年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%。相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過20%的能效?？茖W家認為，這種材料的性能依然有提升的可能 。

鈣鈦礦是由特定晶體結(jié)構(gòu)所定義的一種材料類別，它們可以包含任意數(shù)量的元素，用在太陽能電池當中的一般是鉛和錫。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無需在清潔的房間當中精心組裝 。

4、氣凝膠

氣凝膠可由任意數(shù)量的物質(zhì)所制成，包括二氧化硅、金屬氧化物和石墨烯。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體。它的結(jié)構(gòu)也賦予其超高的強韌性 。

NASA的科學家已經(jīng)在實驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料 。

5、Stanene——導電率100%的材料

和石墨烯一樣，Stanene也是一種由單原子層所制作的材料。但由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實現(xiàn)的特性：100%的導電率 。

Stanene在2013年由斯坦福大學張首晟教授首次進行了理論化。預(yù)測Stanene這類材料的電子屬性是張教授的實驗室所擅長的領(lǐng)域之一，根據(jù)他們的模型，Stanene是一種拓撲絕緣體，也就是說，它的邊緣是導體，而內(nèi)部是絕緣體。這樣一來，Stanene就能在室溫下以零阻力導電 。

6、光操縱材料

光操縱超材料的納米結(jié)構(gòu)能夠以特定的方式對光線進行散射，它或許真的可以讓物體隱形。根據(jù)制作方式和材料的不同，超材料還能散射微波、無線電波、和不太為人所知的T射線。實際上，任何一種電磁頻譜都能被超材料所控制 。