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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划超材料设计一、超材料应用前景广阔超材料是指人工电磁材料，是一种人工结构的功能性材料，通过对传入材料的电磁波做人为调制，改变传统的传波方向或大小，可能使材料出现人类前所未见的属性和性能。目前超材料可用于天线、吸波材料等，是国内外的研发热点，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。超材料独特的电磁性能已经吸引了来自不同领域的研究者研究。反过来，这种趋势又将推动超材料的迅猛发展。在十余年间，人们就已经有很多多的突
2、破与进展，包括负折射率、超级透镜、隐身斗篷已及零折射率等。其它的很多吸引人心的发现也等待着人们的探索。可以预见，在将来的科学与技术领域，超材料必将有巨大的突破，就像曾经高分子材料与纳米材料一样，将极大地推动科学技术的极大进步。在超材料中，发展最快应用前景最广的当属负折射率材料和光子晶体。负折射率材料主要是基于左手材料、超透镜、隐形斗篷与零折射率超材料的研究；而光子晶体是由具有不同反射率的材料在空间交替构成的一种周期结构。随着研究的深入，人们发现超材料不仅能够用来实现双负介质，而且零折射率介质、高折射率介质等都已随着发展进入了研究者的视野中，其应用前景十分广阔。左手材料是近年来新发现的某些物理特
3、性完全不同于常规材料的新材料，产生逆多普勒效应、逆Snell折射效应、逆Cerenkov辐射效应以及“完美透镜”等奇异的电磁特性。这些特性可望在信息技术、军事技术等领域获得重要应用，这将在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路中的光刻技术等诸多方面得到应用。而光子晶体对光通讯中的信息处理有重要的意义。值得指出的是，由于光子晶体材料自身给出了一种材料平台，人们可以在同一块光子晶体“芯片”上实现各种不同的有源和无源器件，并将这些集成。这为未来的集成光子学技术提供了广阔的发展前景。目前的研究集中于研究各种波与特殊设计的共振器阵列的交互应用。主要目标是利用这些共振器与连续波的强烈反应大幅改变波的传播特
4、性。将促折射材料和光子晶体等技术结合起来，对未来的太阳能应用也具有重大意义，可以研发用于制作太阳能电池的研究，可大大增加电池的蓄电能力。但是在目前，离到真正大规模的生产与使用还有许多的难题有待克服，这也将成为未来超材料研究的主流方向并能有很多重大突破的领域。二、产业涉及面广，全世界都在推。超材料自问世之日起就受到了科学家们的广泛追捧，在国内外很多领域都可以看到其踪迹。此前，美国科学家们已经使用超材料制造出了声学双曲透镜，这种透镜有助于将超音波与声纳系统的影像分辨率提升8倍；超材料也被用来阻挡噪音、让不同波长的光线弯曲、让物体隐形等。美国、德国等高校正在使用新颖的超材料，试图研制出一种新式“超材
5、料透镜”，以更好地控制穿过透镜的光线，从而提高无线电力传输的能量和效率。超材料在传输无线电力的同时可避免微波或激光造成的干扰。如果用此方法给手机、大功率的微波炉甚至激光设备充电，就要传输更多电力。随着国内外研究人员对左手材料进一步地分析与研究，使得许多国际上的研究者开始渐渐接受和承认这样一种具有反常特性的人造材料。此外，许多军工部门、公司和研究机构开始设立专门的研究项目来探索这种人造介质材料的结构、特性和应用。例如，联合国已经启动了射频左手材料的研究项目，项目中结合了Imperial大学Pendry的研究工作的Marcconi研究；美国一些军工企业也开始了这种材料的研究；波音公司主持了一个美国
6、国防部高级研究计划局联盟来集中研究吉赫兹频段的负折射率；美国加利福尼亚大学的洛杉矶分校则主持了另一个美国国防高级研究计划局联盟：欧洲联盟也投资了一个协会来负责新兴技术项目，其中就包括左手材料。而美国肯特大学、美国宾州州立大学以及科罗拉多州大学就液晶领域开展了超材料研究。通过液晶的自适应特性，可以得到奇异特性的超介质，广泛应用于超快光开关等领域。另外，可控性超材料是最近几年的热点，美国洛斯阿莫斯国家实验室就如何使用超材料来调控太赫兹波(Terahertz)开展深入研究。这一研究可以有效地填补人们尚未完全了解的太赫兹波段，在航空航天、环境监测等方面都有广泛应用。英国南安普顿光学中心是超材料、等离子
7、体方面的绝对权威，其对非线性超材料、量子超材料，以及和超导结合的超材料的研究都极大地拓展了超材料的研究领域。国际上关于超材料领域的研究起步较新，国内在这方面拥有很多新成果和专利。当前最迫切要做的是提升超材料电磁特性，并为这些特殊属性与业界所需要的电磁功能服务找到结合点，提供应用和产业化的契机。由于超材料设计的研究领域越来越广，尚有很多问题没有涉及或虽有涉及而研究不够深入，仍需要进一步充实。在隐身、变换光学方面，国内的一些团队已经取得了国际领先的成果；但在可调控、自适应超材料，非线性超材料，量子超材料领域仍然处于发展阶段，与国际知名的院校、实验室还有相当大的差距。我们应多建立国际交流合作，提高国
8、内在超材料领域研究的水平。扶持战略新兴产业的政策江苏北京上海山东“超材料”：超越天然材料的自然极限“超材料”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。从本质上讲，metamaterial更是一种新颖的材料设计思想，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。1、“超材料”的基
9、本定义“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出?、亚?、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。在互联网上颇有影响的维基百科上，对metamaterial一词是这样解释的：Inelectromagnetism(coveringareaslikeopticsandphotonics),ametamaterial(or
10、metamaterial)isanobjectthatgainsits(electromagnetic)materialpropertiesfromitsstructureratherthaninheritingthemdirectlyfromthematerialsitiscomposedof.Thistermisparticularlyusedwhentheresultingmaterialhaspropertiesnotfoundinnaturallyformedsubstances.这一解释可能是迄今对metamaterial这一概念给出的最符合科学规范的定义，尽管这一定义从目前的观点
11、看过于狭隘。从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征：metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料；metamaterial具有超常的物理性质；metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料、以及超磁性材料等等。2、从“灵光一闪”到重大突破尽管metamaterial的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。1967年，前苏联科学家维克托韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够
12、颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，因此，Veselago的预言未能得到科学界的重视，到了20世纪90年代，Veselago的猜想几乎被人遗忘。直到20世纪90年代中后期，英国物理学家JohnB.Pendry的工作使韦谢拉戈物质的研究出现了柳暗花明的前景。Pendry将metamaterial的思想引入了负介电常数和负磁导率的材料的构造。他的一个创新性思路是，一种材料，不仅仅只认为是一个均匀的块体，它还可以拥有一些细小的单元。换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构单元中获得，
13、这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。基于这样的思想，Pendry先后提出了可能具有负介电常数和负磁导率的结构单元。在此基础上，美国科学家DavidR.Smith等人从实验上实现了这些结构单元的负折射。Metamaterial一词，连同具有负折射的“左手材料”一起引起了世界科学界的关注。与“生不逢时”的左手材料相比，另一类超材料光子晶体的诞生和发展则幸运得多。1987年，两位美国科学家分别根据各自在不同角度的研究，同时提出了一类在光的波长尺度具有周期介电结构的超材料光子晶体以及与其对应的光子带隙的概念：从抑制自发辐射的角度提出了这一概念的，而则是光子的局域化角度提出的。由于这一突破给光子技
14、术带来的应用前景，两位科学家的工作很快得到了世界各国科学家的强烈响应，并掀起了光子晶体的研究热潮。到1998年和1999年底，由于光子晶体的研究在多方面取得突破，与光子晶体相关的研究两度被Science杂志列为当年世界上的“十大科学进展”，并被该杂志评为预测为未来的六大研究热点之一。事隔7年以后，当光子晶体领域轰轰烈烈的淘金热刚刚有所降温的时候，Science杂志又于XX年底再次将光子晶体列为未来的自然科学的热点领域。而另一类超材料左手材料则是在XX年被Science杂志列为当年的“十大科学进展”。三年后的XX年底，由于英美两国科学家利用与左手材料的设计方法相类似的梯度超材料成功实现了“隐身斗
15、篷”的功能，Science杂志又一次将其列为当年的“十大科学进展”。众所周知，当今自然科学界受到较多关注的重大突破较多来自生物及医学领域，而物理学和材料科学领域则不是热点。而超材料的突破在近几年中能受到整个科学界持续的关注，其科学意义不言自明。3、崭新的设计理念“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法这种思维方法对材料科学家来说是非常宝贵的，因为它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。基于“超材料”观念的材料设计方法是多种多样的。事
16、实上，早在metamaterial的观念出现以前，甚至韦谢拉戈突出左手材料的设想以前，人们已经有过非常类似的尝试。一个典型的例子是多层陶瓷电容器。多层陶瓷电容器是70年代发明的一种电子元件。它是有陶瓷介质层和内电极交叠而成，相当于多个电容并联在一起，或使电容器的电极面积增加了若干倍。众所周知，对于平板电容器，其电容量与其中的电介质材料的介电常数、电极面积成正比，而与电容器厚度成反比。因此，如果我们不把多层陶瓷电容器看成是一个多层器件，而仅仅看成是由具有某一介电常数的陶瓷介质构成的单层平板电容器，即把其中的多层结构看成是一种“材料”，则该“材料”的表观介电常数可高达陶瓷介质的n2倍。这种结构的设计中，事实上也包含了metamaterial的设计思想，只是把没
