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科技創(chuàng)新

神奇的超材料和隱形材料（上）

2023-10-16 373

“神奇的超材料和隱形材料”


2006年，首次發(fā)布隱形材料

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    2006年10月，一個由英國和美國科學家組成的團隊展示了，一種當時只有科幻小說才知道的突破性物理現(xiàn)象。世界上第一件隱形斗篷。由倫敦帝國理工學院約翰·亨德里克教授領(lǐng)導的團隊與杜克大學合作，創(chuàng)造了一種直徑約 12 厘米的小型裝置，該裝置具有重新定向周圍微波輻射的固有特性，將裝置隱藏在微小的扭曲中，使其對于微波檢測而言幾乎看不見。

通過結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)隱形

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    這一演示之所以特別引人注目，是因為這種微波隱形的特性并非來自物體的化學成分，而是來自其組成材料的結(jié)構(gòu)。該團隊展示了一種超材料的閉合特性。超材料是一種特意設計成具有一種或多種特性的材料這些特性是傳統(tǒng)的天然材料所不具備的。

基本單元的重復排列

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    超材料的特性是從它們的結(jié)構(gòu)，而不是直接從它們的基本成分獲得這些性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)由基本單元的重復排列形成，基本單元本身通常是由塑料和金屬組成的復合材料形成。

尺寸和排列方式影響了電磁特性

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    這些基本結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和排列決定了超材料如何影響電磁輻射的波長和性質(zhì)。超材料之所以如此驚人，是因為它們操縱電磁波的本質(zhì)。輻射可以被彎曲、放大、吸收或阻擋 其方式遠遠超越了傳統(tǒng)材料的可能。

波的折射

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    大多數(shù)超材料的一個更值得注意的特性，是其內(nèi)部發(fā)生折射的不尋常方式。折射是傳播波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時方向的改變。雖然折射以各種方式發(fā)生，包括動力波，如聲波。但它是一種最典型的與光有關(guān)的現(xiàn)象。波如何被反射是由其在介質(zhì)之間的速度變化和波傳播的初始方向決定的。

斯涅耳定律

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    對于電磁輻射，折射可以由斯涅耳折射定律確定。該定律指出，對于給定的一對介質(zhì)，入射角和折射角的角度之比等于兩種介質(zhì)中的電磁波傳播速度之比。當初始介質(zhì)被定義為真空時，該比例被稱為材料折射率。。

色散和透鏡

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    這反過來，也導致折射角發(fā)生變化，這就是所謂的色散，正是這種現(xiàn)象導致棱鏡將白光分為其組成顏色。光在介質(zhì)中通過折射重新定向也是透鏡如何起作用的關(guān)鍵原理。

天然材料都是正折射率，超材料可以有負折射率

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    每一種已知的天然材料對電磁波都具有正的折射率。然而，超材料可能會產(chǎn)生不直觀、不自然的負折射。它們可以有效地逆轉(zhuǎn)電磁波在其內(nèi)部的傳播，因為電磁波是由電場和磁場的耦合產(chǎn)生的。對于具有如此不自然折射率的超材料，決定這些場在物質(zhì)中傳播的兩個參數(shù)是介電常數(shù)和磁導率來控制的。

介電常數(shù)和磁導率

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    介電常數(shù)是材料如何響應于所施加的電場而極化的量度。而磁導率是材料響應于所施加的磁場而獲得的磁化的量度。這兩個參數(shù)還表示當它們各自的場被施加和組合時存儲在材料內(nèi)的能量，它們決定了材料的折射率。

大多數(shù)材料具有正介電常數(shù)

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    大多數(shù)已知材料具有正介電常數(shù)值，它們是電絕緣體，但可以容易地電極化或稱為電介質(zhì)并表現(xiàn)出相對高的介電常數(shù)。

負介電常數(shù)的材料

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    相比之下，某些材料，如金屬和等離子體，在特定頻段表現(xiàn)出負介電常數(shù)。然而，還沒有發(fā)現(xiàn)能使磁導率達到負值的材料。

超材料由晶胞設計而成

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    超材料是由晶胞設計而成，晶胞以類似于晶體的方式組織成重復結(jié)構(gòu)。這些晶胞由具有自然介電常數(shù)和磁導率特性的傳統(tǒng)材料組成。它們的尺寸也被設計為它們所操作的電磁輻射波長的一小部分。當電磁波通過超材料傳播時，每個單元對輻射的響應以及這些相互作用的集體結(jié)果，會產(chǎn)生對電磁波的全新響應，這是天然材料不可能產(chǎn)生的。

    明天我們繼續(xù)了解超材料的發(fā)現(xiàn)歷史。      


文章源自：Achillesccj


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