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科技創(chuàng)新

神奇的超材料和隱形材料（中）

2023-10-16 332

“神奇的超材料和隱身材料”

1904首次推出超材料

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    超材料的特性首次被提及是在1904年，英國數(shù)學(xué)家Horace Lamb和英國物理學(xué)家Arthur Schuster提出了負(fù)波傳播的概念。然而，兩人都認(rèn)為這種現(xiàn)象純粹是理論上的，并不認(rèn)為它可以實際實現(xiàn)。

曼德爾斯通的發(fā)現(xiàn)

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    40年后，蘇聯(lián)物理學(xué)家曼德爾斯通在研究電磁波傳播的本質(zhì)時，考察了具有負(fù)折射的材料的特性。從他的實驗中，他發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象在由晶格組成的材料中普遍存在。到20世紀(jì)60年代末，幾個研究小組將繼續(xù)進一步研究晶體的負(fù)傳播特性，以及負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率概念的實際含義。

Veselago提出第一個超材料理論模型

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    最后 在1967年，蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago，提出了第一個超材料的理論模型。他的研究包括產(chǎn)生預(yù)測分?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的方法，其中他創(chuàng)造了左手材料一詞，以及探索具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率或雙負(fù)材料的理論模型。在接下來的三十年里，由于缺乏有效設(shè)計和實驗超材料所需的組成材料和計算能力，這些仍然主要是抽象的 。

二戰(zhàn)后，人工電介質(zhì)快速發(fā)展

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    隨著超材料的框架正在開發(fā)中。在理論層面，微波工程的相關(guān)領(lǐng)域及其在意向設(shè)計中的應(yīng)用在第二次世界大戰(zhàn)后開始迅速發(fā)展。由此，在20世紀(jì)50年代和60年代期間，人工電介質(zhì)的發(fā)展開始開辟微波輻射成形的新途徑，特別是用于雷達(dá)天線設(shè)計。

人工電介質(zhì)具有特定電磁響應(yīng)

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    人造電介質(zhì)是由排列在非導(dǎo)電基質(zhì)中的導(dǎo)電形狀或顆粒的射線制成的復(fù)合材料。與超材料類似，人造電介質(zhì)被設(shè)計為具有特定的電磁響應(yīng)，就像工程電介質(zhì)材料一樣。

溫斯頓研究輻射和幾何結(jié)構(gòu)的關(guān)系

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    美國電氣工程師、美國宇航局電子研究中心首任主任溫斯頓·E·科克（Winston E Kock）分析研究了輻射如何通過不同的幾何形狀和粒子傳播，無論是孤立的還是重復(fù)的模式。在他的指導(dǎo)下，開發(fā)了分析這些結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的方法允許開發(fā)各種配置的微波透鏡。然而，由于當(dāng)時 NASA 研究目標(biāo)的范圍，這項研究從未達(dá)到負(fù)系數(shù)的領(lǐng)域，未能實現(xiàn)真正的超材料。

Pendry成為超材料領(lǐng)域的主要貢獻者

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    到20世紀(jì)90年代末，將超材料從理論遷移到現(xiàn)實的首次嘗試開始出現(xiàn)。而形成它們的長期既定原則仍將是正在進行的研究的焦點。英國理論物理學(xué)家約翰·彭德里（John Pendry）很快成為該領(lǐng)域的主要貢獻者，他將超材料的特性從概念變?yōu)楝F(xiàn)實。Pendry在固態(tài)物理學(xué)方面的專業(yè)知識使他與馬可尼材料技術(shù)公司簽約，以解釋他們的海軍隱形材料實際上如何工作的物理原理。

超材料的微波吸收源自結(jié)構(gòu)特征

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    Pendry發(fā)現(xiàn)，這種材料的微波吸收并非來自其所用碳的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而是來自纖維的細(xì)長形狀。通過這一觀察，Pendry意識到，通過在小于特定輻射帶的尺度上改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，他可以改變材料與其相互作用的方式。由于觀察到的特性似乎超出了自然發(fā)生的特性，因此創(chuàng)造了超材料一詞。

開口環(huán)諧振器

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    亨利進一步探索了這個概念，提出了一種可以模仿傳統(tǒng)磁性物質(zhì)特性的復(fù)合材料的想法。他推測這種材料可以由嵌入玻璃纖維基板中的微小銅線環(huán)制成，稱為開口環(huán)諧振器。這些環(huán)路將根據(jù)其尺寸和幾何形狀產(chǎn)生特定的磁響應(yīng)，從而有效地成為可調(diào)諧磁諧振器。Pendry的想法的含義在材料科學(xué)中是前所未見的。他已經(jīng)弄清楚了如何操縱材料的電磁響應(yīng)，從而有效地提供了設(shè)計電磁輻射如何穿過材料的方法。

David Smith構(gòu)建可協(xié)調(diào)線圈

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    Pendry在1999年發(fā)表了他的工作成果，迅速吸引了全世界物理學(xué)家的注意。其中 加州大學(xué)實驗物理學(xué)家David Smith與同事Wille Padilla合作，構(gòu)建了一系列非常小的線圈，可以以這樣的方式進行調(diào)諧，當(dāng)受到輻射源照射時，材料的表現(xiàn)就像它具有天然磁性一樣。充分實現(xiàn)Pandry的概念后，該團隊于2000年5 月發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

Browning推動了DARPA的超材料研究計劃

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    大約在同一時間，新任命的 DARPA 項目經(jīng)理、物理學(xué)家瓦萊麗·布朗寧 (Valerie Browning) 在史密斯和帕迪拉的成功的推動下，說服 DARPA 發(fā)起自己的超材料研究計劃。投入 4000 萬美元，資助大量計算資源和精密微加工技術(shù)。史密斯和帕迪拉將很快并入DARPA項目，領(lǐng)導(dǎo)其新的先進材料計劃。


文章源自：Achillesccj


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