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数字化新材料具备奇特光特性 未来或可制出“隐身衣”

2014-09-25 10:31
木中君
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   美国和澳大利亚两国科学家近日联合在《自然材料学》期刊上发表论文,提出了一种名为“数字超材料”的新概念。所谓“数字超材料”,是一种通过特定设计、拥有奇异光学特性的超材料。研究人员认为,这种数字超材料将有助于加快诸如隐身衣、超透镜等特殊设备的面世进程。

  据科学家介绍,所谓超材料,就是利用玻璃、金属、塑料等物质的微观亚单元以重复的方式进行重组而人工制造出的材料。重组后,这种超材料将拥有许多奇异的特性,如可以以非常规方式与光相互作用。这些特性都是自然材料所不具备的。澳大利亚悉尼大学光子学与光学教授鲍里斯-库尔梅解释说,“超材料的概念其实就是模拟原子与光相互作用的方式,但是人造结构比光本身的波长更小。通过这种方式,物质的光学特性不再局限于原有物质,而是可以进行任意设计。”

  美国宾夕法尼亚大学科学家正是从超材料概念获得灵感,并依据二进制布尔代数理论提出了数字超材料。二进制系统几乎应用于所有的数字电子设备,如计算机、智能电话等。复杂数字设备的数字信息通常都是通过“0”和“1”编码形成的。所谓“数字超材料”就是通过一种简化的方式所构造的超材料,但同样可以实现复杂、多样化的特性。澳大利亚斯威本科技大学光电子学教授顾民认为,“这种新技术的优点就在于它的简单性。”

  通过模拟两维空间中的方法,研究人员摸索了仅仅采用两种特定选择的组成物质构造超材料的可能性。这种特定选择的组成物质,也被称为“超材料位”,就好比是二进制计算机代码中的“1”或“0”。超材料位的重组过程也就是超材料的“数字化”过程。在研究中,科学家们选择使用了纳米尺寸的银或硅(玻璃)作为重组所需的超材料位。这些材料可以在各自的层次以完全不同的方式与光相互作用。一旦“数字化”成功,所生成的超材料则拥有自己的独特特性,与原始材料的特性完全不同。

  澳大利亚迪肯大学纳米技术专家蒂凡尼-沃尔什介绍说,“物质组成部分之间通过这种方式相互结合,可以产生在三维或二维空间中以规则组合方式所不曾拥有的现象。”原材料组成部分要想拥有超材料的特性,是非常耗时且昂贵的。这种全新的超材料生成方式可以帮助研究人员仅仅使用两种组成材料即可获得想要的光学特性。

  库尔梅认为,“仅仅使用两种组成材料,比如一种金属和一种绝缘体(本研究中采用的是银和硅),以适当的比例重组,即可实现任何想要的光学特性。这就是本项研究所提出的数字超材料概念。”沃尔什教授则认为,“这就好比是将声波从模拟转换为数字模式。”

  这种超材料的重要应用之一就是它们对光的处理与操作。沃尔什解释说,“我们已经知道该如何处理辐射,比如光线。我们可以利用放大镜聚焦光线;我们可以利用镜面反射光线,改变光线的方向。但是,这种超材料可以完成更复杂的任务,它们可以使光线弯曲,可以让光线散射,还可以以其它非同寻常的方式操作光线。”

  通过数字化方式,研究人员可以制造出电容率极低的特殊超材料,这种材料在自然界是非常罕见的。此外,这种技术还可以有更为高级的应用,如隐身衣等隐身设备的制造等。顾民认为,“未来这种数字化设计方法能够制造出光学隐身衣,那将更为有趣。”

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