2016年世界新材料技术发展盘点（十一）

前沿新材料之超材料

1. 超材料透镜突破了常规光学显微镜的分辨率极限

2016年8月，复旦大学的研究人员成功制备出一种新型三维全介电超材料透镜，能把光学显微镜的分辨率提高到创纪录的45 nm，大幅突破了常规光学显微镜的极限分辨率200 nm。相关工作发表在Science子刊Science advanced期刊上。他们利用一种由下而上的自组装方法-纳米固流体法，把具有高折射率和低吸收损耗的二氧化钛纳米粒子进行组装，制备出半球形和超半球形固体浸没超透镜。这些超透镜具有亚波长结构，并且在可见光下表现出高的折射率和高的透明性。理论分析表明，在紧密堆积的二氧化钛纳米粒子之间可以形成增强的电场，此电场能有效约束亚波长尺度的可见光在其中的传播，有利于形成大面积、亚波长尺寸的近场聚焦光斑；同时，超透镜能够高效的将样品表面激发的近场消逝波转变成远场传播波，从而可以实现超分辨率光学成像。该研究提供了一种在纳米尺度操纵可见光的途径，有利于超材料在近红外和可见光波段的应用。

2. 可伸缩的柔性超材料

2016年2月，美国爱荷华州立大学的科学家将液态镓-铟合金嵌入到硅橡胶中，形成周期性排列的开口谐振环结构，制备出一种可伸缩的柔性超材料。在外力作用下进行拉伸时，这种柔性超材料内部的开口谐振环的尺寸也会发生变化，从而使其具有频率调控性，并且在较宽的微波频段内可以吸收雷达信号。此外，将这种超材料缠绕在电介质材料表面时，可以对其实现有效地电磁屏蔽，起到“隐身”作用。由于这种柔性超材料具备良好的可穿戴性，有望被应用于隐身斗篷，同时其在军事、医疗等领域中具有重要得应用价值。此外，可以结合喷墨打印、激光转印和纳米压印等印刷技术与3D打印技术，实现超材料的柔性化和规模化制备。另一方面，超材料的设计理念与制备加工，可与常规材料相融合。充分结合超材料的“人工性质”与常规材料的“本征性质”，对材料的化学成分和微观结构进行设计和裁剪，降低超材料的制备成本，推进产业化应用。

3. 使用超材料制作出光驱动机械振荡器

2016年10月，美国宾夕法尼亚大学的研究人员开发了一种光驱动的机械振荡器。这种基于超材料制作的装置通过光与物质的相互作用，并配合机械共振，实现了控制其机械性能。相关工作发表在第10期Nature Photonics期刊上。在这项研究中的超材料装置类似于一个微型的电容器，其上部和底部各有一个0.5*0. 5毫米的正方形板。上板是金膜和氮化硅膜组成的双层膜，其中包含大量十字形缝隙组成的纳米天线阵列，底板是一个金属反射镜，上板和底板之间有3微米高的间隙。当光线照在器件上，纳米天线吸收入射光的能量，并将光能转化为热能。由于金比氮化硅受热扩张大，导致金/氮化硅双层弯曲，这样上下板间隙的高度发生改变。这种间距的变化导致上板可吸收的光减少，从而上板弯曲回到它原来的位置。上板可以再次吸收所有的入射光，并一次又一次的循环。该超材料装置可应用于高精度传感器、量子传感器和光学器件。

4. 新型石墨烯超材料

2016年1月，哈尔滨工业大学课题组基于改进的水热法和定向冷冻工艺设计，在自然干燥条件下，成功制备出具有微观双曲取向形貌的三维石墨烯气凝胶超材料，并发现了负泊松比效应和超弹性特征，相关工作发表在Advanced Materials 期刊上。与传统三维石墨烯材料相比，这种具有负泊松比效应的石墨烯超材料的抗压强度和杨氏模量得到了显著提高，并且具备高的比表面积、超弹性、优异的耐疲劳稳定性和良好的导电性，在柔性电极材料、超级电容器、传感器、催化剂载体等方面具有广泛的应用前景。采用自然干燥技术制备三维石墨烯超材料，具有成本低、产量高、操作简便等特点，对于石墨烯超材料的规模化生产和商业化推广具有重要推动作用。此外，石墨烯具有非常高的电子迁移率，可以有效降低能量损耗。因此，针对当前电磁超材料损耗大的特性，积极探索以石墨烯为代表的新型超材料，具有重要意义。

5. 更强、更轻、更耐用的机械超材料

2016年2月，德国卡尔斯鲁厄理工学院的科研人员设计和制备出一种高强度、轻质的机械超材料。相关工作发表在Nature materials期刊上。他们利用无氧条件下的高温热解聚合物法成功制备出了单个柱长小于1微米，直径约200 nm的超强玻璃碳纳米晶格，其是目前该类材料能够获得的最小晶格结构。聚合物在热解过程中伴随着大的体积收缩和质量损失，从而有利于得到更小更强的碳结构。其强度接近玻璃碳的理论强度，高达3 GPa；其比强度是已报道的其它微晶格材料的六倍以上。研究人员同时利用这种碳纳米晶格，成功构建了一种具有蜂窝结构的超材料。该材料在密度为600 kg/m³的条件下，有效强度达到1.2 GPa，比强度可与金刚石相媲美。人工设计机械超材料的出现可能将材料发展引领进一个追求更强、更轻、更耐用的时代。

6. 超材料有望实现量子信息传输

2016年4月，美国劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的科学家们，利用光学晶格中的超冷原子与超材料成功构建出具有新奇属性的一维“量子超材料”，并克服了天然材料的结构缺陷，可以将探针原子释放光子的速度从纳秒提高到皮秒，相关研究成果发表在Physical Review Letters 期刊上。研究表明，通过对光晶格中探针原子进行精确定位，并利用激光进行调控，从而使原子以光子的形式按需释放能量。同时，这一原子可以被其他探针原子进行吸收，进而实现信息交换。这种新型的量子超材料，不仅可以快速释放光子，而且保证了光子在原子间以低损耗形式传输，能够快速高效地完成量子信息的传输和交换。将超冷原子与超材料进行结合，有望获得二维、三维量子超材料晶体结构，实现量子计算和信息处理的新突破和新发展。

(撰稿人:范润华)