超材料是一种特种复合材料或结构，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料所不具备的超常物理性质。目前，超材料的主要研究和应用集中在电磁领域，相关概念、方法和研究应用已经扩展到声波、太赫兹、光波、热学、力学等领域。光子晶体、左手材料、隐身衣等超材料研究成果被美国《科学》杂志先后于2000年、2003年、2006年选为年度10项重大进展之一。《今日材料》（Materials Today）杂志在2008年将超材料评为材料科学50年中的10项重要突破之一。2010年，《科学》杂志又将超材料列入本世纪前十年的10项重要科学进展之一。2007年，世界知名科学文献出版社爱思唯尔甚至专门为超材料新开了一个期刊《超材料》（Metamaterials）。以超材料为主题的专刊和学术会议也非常之多，超材料奠基者Pendry爵士和Smith博士在2009年被汤森路透社预测为诺贝尔物理学奖的热门人物。
近15年来，超材料研究之所以能引起全世界的高度关注，源自超材料所体现的材料设计思想的重大创新，以及这一创新将产生的重大效益。首先，通过材料结构的创新设计，实现全新的物理现象，产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料，促进甚至引领新兴产业发展；然后利用超材料设计思想，提升传统材料性能，突破稀缺资源瓶颈，实现传统材料产业的技术升级和结构调整。一些典型应用如：对通信行业产生变革的各种新型天线；应用于太阳能技术、隐形、噪音的光波、微波和声学吸波体；应用于微电子、光电子工业及医疗成像的超透镜；应用于隐身的隐形装置；各种光学、微波和声学的滤波器；超强超轻的结构超材料；甚至可以使建筑免于地震波破坏的防护结构等。
目前，美国国防部把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之首，专门启动了关于超材料的研究计划。美国国防部先进研究项目局把超材料领域定义为“强力推进增长领域”。美国空军科学研究办公室在2012财年把超材料列入“十大关键领域”。从事超材料研究的大学主要有杜克、宾州州立、宾州、麻省理工、普度、加州伯克利、得州奥斯汀等。除了传统知名公司如波音、雷神和洛克希德马丁等，还有众多新兴公司如Kymeta、Fractal Antenna System、Metamaterial Technologies、Fianium、Evolv、Metamagnetics等从事超材料的产业化。俄罗斯第五代战机PAK FA（T-50）使用超材料增加其在电磁及光波波段的隐身特性，以与美国的F35战机在隐身性能进行竞争，确保其速度、操控性、航程、武器载荷和隐身的综合性能可以与对手抗衡。欧盟和日本也投入了高额经费对超材料技术相关项目进行了大力支持。
俄罗斯T-50战机
超材料物理原理
在中国，以深圳光启为代表的科研团队在863计划、973计划、国家自然科学基金的支持下，在超材料领域内开展了具有一定影响力和有特色的研究和应用工作，有的原创成果处于国际领先地位。深圳光启由留美归国的科研人员创办，专注于超材料的产业化，凭借其在超材料基础领域的技术积累和大规模数据计算能力，在超材料核心技术研发中屡创新高：2010年7月，研发制成并测试包含有60万个人工微结构的超材料“电磁魔方“（比2009年刘若鹏、季春霖等在《科学》 杂志上发表的6000个微结构的复杂度提高了100倍），实现波束的空间调制，还能实现线极化波和圆极化波间的相互转化。此成果还创造了同时期超材料领域的全球之最，也证明了这种新技术的可行性和有效性，基于此，光启开发出含有数十万微结构的可在Ku频段将电磁波聚焦的样品。2011年3月，光启成功开发了包含有1000万个人工微结构的功能性超材料。光启团队无论在超材料的结构开发、仿真建模，还是前沿应用方面，都掌握着源头创新的核心技术，大大缩短了设计时间，可在短时间内完成微结构的构建，使我国在超材料的设计技术方面已处于世界领先地位。
除了主持和参与多个与超材料相关的重点项目，光启还研发出超材料平板卫星天线、超材料滤波器和超材料无线互联解决方案。平板卫星天线在22个省市进行了测试，在北京、天津等地得到了实际应用，并荣获2013年CITE创新产品与应用金奖。超材料迷你射频滤波器通过特定的微结构和微结构排布方式的设计，使得超材料谐振子在谐振腔中产生一种特殊的低频模式，同时有效的抑制了高次模，从而实现了滤波器的小型化。目前研制出的最新超材料迷你射频滤波器只有传统滤波器体积的1/4，重量也是传统滤波器的1/4，峰值功率却能达到同类产品的2倍，荣获2013年CITE创新产品与应用金奖。基于超材料的超级WiFi无线互联解决方案，使得无线WiFi信号可以在预设范围内传播，严格把控信号的干扰，降低设备辐射电磁波的功率，带来前所未有的客户体验，已经应用于深圳地铁、深圳会展中心、前海深港现代服务业合作区等，并且荣获2014年CITE创新产品与应用奖。利用多年研发超材料的经验，光启组织专家对超材料领域进行多次调研，结合国内外发表的超材料文献等资料，系统地对超材料和电磁超材料进行定义和规范，起草编写了国家标准《电磁超材料术语》草案，已于2015年初报送至国家标准化管理委员会。这一标准规定了电磁超材料的类别、功能、设计、基材、应用等相关方面的70多个术语和相应的定义，适用于电磁超材料在科研、教学、生产、工程等领域的应用，涉及电磁超材料的其他方面也可参考使用。
与其说超材料是一种新的性质超常的材料形态，不如说超材料提供了一种材料设计的理念——人们的思维不再受限于自然材料参数和功能的限制，突破传统的思维框架。除了在目前已有领域继续发挥和拓展其功能，可以预期的是，未来超材料还会渗透到更多目前不曾预料到的领域，带给人类社会更多的美好改变，就像超材料的开路者之一Pendry爵士所说，上世纪60年代激光被发明的时候谁知道这玩意儿会有什么用呢，今天的超材料就是昨天的激光。
作者：冬渠，转载请注明来源新材在线和作者
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