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能减灾会隐身的超材料

文章来源: 发布时间:2016-6-1

许多人认为隐身衣只存在于幻想,根据光学定律,根本不可能实现,可是仍有人挑战传统观念。

这些挑战者似乎正走在成功的道路上,在超材料日渐成熟的背景下,局部达到弯曲光、改变波的效果,已成功实现,真正意义上的肉眼隐身也正由幻想走向真实。

未来,“今天你隐身了吗?”是否会成为彼此见面的寒暄?我们拭目以待。

数年前,风靡全球的小说《哈利波特》把人们带进了一个奇幻世界,其中无数魔法道具令人至今记忆犹新。比如哈利波特为了逃出魔法学校偷偷披上的那件隐身斗篷。

其实从数百年前的文字记录可以发现,人类对于隐身术的研究一直饶有兴致。只不过直到近年,科学家们才对外宣布,隐身衣正在从幻想走向现实。使用可弯曲光线和改变波长光度的超材料,就可以制造出红外线或者雷达“看不到”的隐身效果,也许不久的将来还能造出能骗过肉眼的真正的隐身衣。

除了可以隐身,超材料——这种有着精密形状、几何结构及排列,能够以非传统的方式影响光与声的材料——在其他应用领域也将大有作为。据外媒最新报道,科学家正在探索使用超材料“护墙”,试图在地震或海啸中衰减地震波的影响。在更为民生的领域,超材料正在被厂商研究制造能感应地形的鞋底或具有整容效果的护肤品等。

包括Research and Ma松原哪家医院治癫痫病最好rkets在内的多家咨询机构分析认为,超材料市场在未来6-10年将迎来高速增长,年复合增长率超过20%以上。从公开信息来看,近年来国内亦有数家公司斥巨资进入了超材料领域。有理由期待,超材料在不久的将来,将走出实验室,给我们的生活带来更多精彩的体验。

弯曲光、改变波

令不可能成为可能

正像许多人认为的那样,隐身衣只存在于幻想,根本不能实现。科学界最初的看法也是如此,认为它违反了光学定律。可是偏有人挑战传统观念。2000年,美国加州大学圣地亚哥分校的物理学家戴维.史密斯和同事利用微波技术把一个直径5厘米的铜制小圆筒成功地隐藏起来,隐形范围相当于一粒豌豆。来自杜克大学和伦敦帝国理工学院的研究者在2006年进一步找到了能使普通物体隐形的方案。

上述科学家们所使用的材料被定义为超材料,顾名思义其具有超常的物理性质,这在天然材料中通常是不具备的,区别超材料和普通材料的关键点并非在于构成材料,而是微妙复杂的人工结构。在最近10多年间,科学家们已经能够通过人工方式制造出使光波、雷达波、无线电波、声波,甚至地震波弯曲的材料。

实现对光波的弯曲,隐形便成为可能。广义相对论表明,时间和空间都是可以“弯曲”的,而空间里的光线也同样可以弯曲,前提是设计并制作出足够小的设备。有资料表明,德国的科学家已经使用一种叫作“径直激光平版刻录”技术制成了由微型塑料棒构成的隐形材料片,这些微型塑料棒之间的间隔仅有1毫米的千分之一,能够改变物体的折射率,并改变光的变化。将上述隐形材料片覆盖在物体上,在红外照相仪观测下,隐形材料改变了覆盖物周围的光线速度,从而使得覆盖物和被覆盖物一同消失。

这种隐形并非让物体变得不可见,而是想要在物理上被隐藏,包括美国国防高级研究计划署在内的军方机构,寻求的正是这种隐藏,以便让飞机在军事雷达探测范围内隐身。

或许,科学家们最终的目的仍然是让物体做到在肉眼下的隐身。但由于可见光波长非常短,目前的研究距离目标为时尚早。

相比隐形,处于地质灾害带的人们必定对于改变地震波更感兴趣。地震是地球内部能量大规模释放的过程,通过地震波来体现,由纵波和和横波混合形成混合波,令地表建筑物上下左右摇晃,最终形成强烈破坏。因此,解决方案就是通过抵消或减弱地震波来将降低灾害。

法国科学家发现了通过地面精确打孔来转移地震波,让地震和海啸偏移建筑物或城镇。这正是受到了超材料几何结构的启发。我们知道超材料弯曲光的秘密在于它的精密结构,法国科学家们正是通过钻孔来模拟超材料的神奇结构,即将某个区域视为一片放大的超材料。当地震波遇到超材料结构后,就会发生折射、偏转,绕过建筑物,从而达到减灾的目的。类似的方法此前已经被成功应用到阻挡声波,进行隔音。土地情况相对复杂,因此需要经过更为缜密的计算和更复杂的模拟实验去优化。

更多资料显示,在汽车安全以及自动驾驶汽车、机场安全扫描方面,超材料未来也将大有可为。而廉价的卫星通讯设备、更纤薄的智能手机以及超快的光学数据处理设备则有望成为超材料发挥最大影响力的地方。

除了弯曲光和改变波之外,来自卡尔斯鲁厄理工学院的超材料专家Martin Wegener教授认为,超材料已经被用于指代几乎所有古怪和神奇的设计,只要具有超常性质,非自然所有的材料都能归于超材料。

弹性材料的出现同样令人感到惊喜。在美国一个学术会议上,一位来自荷兰莱顿大学的博士毕业生就展示了一种“可程控材料”。一个看起来普通的橡胶板被打了一排孔,而这些孔有两种大小,通过小型开关的控制和特殊的设计以便它们可以纵向或者横向的压缩。最终可以使橡胶板像一块超大海绵一样变硬或者变软,甚至在挤压下可以在这两个阶段进行快速转变济宁治疗癫痫的医院。相关公司对于研发可感应地面并作出调整的鞋底颇感兴趣。哈佛大学的Katia Bertoldi教授同样在研究一种类似的弹性材料,其具有负的“泊松比”,据此可设计出具有复杂狭缝结构的发动机零件,这使得引擎在坏掉之前能够经得起更多周期的压缩。加州理工学院的一个团队则在研发一种反弹陶瓷管,相比传统脆而硬的陶瓷,这种反弹陶瓷管在被压缩50%后还能复原。

走出实验室

10年内市场复合增长率超20%

作为一门非常年轻的学科,全球关于超材料的研究仅有十几年的时间,但市场已经看到了它走出实验室,走向应用的巨大潜力。

透明市场调查公司(Transparency Market Research)发布了一项标题为“超材料技术——2014-2020全球工业分析,规模,股份,增长,趋势与预测”的报告,内容称全球移动无线通信服务与太阳能光伏产业的上升预示着未来6年对超材料的需求将会增加。此外,风险投资公司也向具有潜力的超材料制造商提供资金,尤其是北美地区。此举估计将会刺激市场对超材料技术的需求。

产品方面,超材料技术可以划分为无线电与微波超材料,光子超材料,大赫兹超材料声学超材料等(包括红外超材料与紫外超材料)。从收益方面看,2克拉玛依癫痫病能治愈吗013年,无线电与微波频率电磁超材料领域占全球超材料技术市场份额的50%。

应用领域包括通讯与雷达、成像(医学与工业)、太阳能及音响设备等。在收益方面,通讯与雷达将会是未来几年超材料市场上增长最大与最快的部分。通讯与雷达应用构成了2013年超材料技术市场份额的60%以上。成像(医学与工业)技术则是第二大市场,其余的部分包括了微波隐身设备与地震防护。

北美将会是预测期内市场增长率最快、收益最高的地区。由于大量风险投资公司为超材料公司投资,以及政府拨款研究国防应用项目,北美地区的超材料市场预计将迅速扩张。收益方面,该地区2013年占超材料市场份额的55%以上。由于大学之间的合作与民用材料公司的产品开发,亚太地区和欧洲地区的增长速度也将会很高。

超材料技术市场预计在2020年达到12.684亿美元,2014年至2020年市场扩张的年复合增长率为21.6%。

“作为一种可以提供许多超越原有性质,从而具有特殊性能的人工开发材料,超材料需要5-10年实现其真正的潜在价值。”这是另一家著名咨询机构Research and Markets公司对于超材料市场的观点,根据Research and Markets的调查报告,全球超材料市场从2015到2025年将以41%的年复合增长率健康成长,2025年市场价值达到6.43亿美元。

整个预测期内,电讯行业将会是超材料市场的主导。事实上,超材料的潜在应用十分广泛,还包括了隐形遮蔽设备、超级透镜、平板天线及吸收器。超材料天线预计2015年商业化,超级透镜、隐形遮蔽设备和吸收器预计分别在2019年、2022年和2018年商业化。合成技术的演变及ODM(原始设计制造商)的增加将会快速改变市场系统。传感和光学将会在接下来的12年成为超材料的另一大市场。医疗仪器应用预计是预测期内增长最快的部分。超材料在航天航空及国防方面的应用预计出现在2017年。

从数据来看,BCC Research 的预计还要乐观一些,该机构报告认为超材料市场将从2013年的近3亿美元成长至2019年的约12亿美元,到2024年将达30亿美元规模。从2019年到2024年的年复合成长率(CAGR)预计为20.5%。

虽然超材料的研发仍是先从欧美起步,我国近年来也在加快对超材料的研发以及资金投入。据科技部网站2013年9月披露,深圳光启高等理工研究院项目组在超材料超薄平板卫星天线、基站射频滤波器、超材料WLAN等产品方面取得阶段性成果。超材料超薄平板卫星天线已在22个省市测试,并在部分行业投入使用。超材料基站射频滤波器则使无线基站的综合设备和维护成本大幅度下降。而超材料WLAN提供了在大型场馆、交通枢纽、商业广场等人流密集区域的无线互联接入服务。正在研究的超材料WIFI相比传统WIFI天线,其信号穿墙能力将大大提高,并透露下阶段的目标是建立国内首条超材料生产示范线。

2015年3月25日晚,龙生股份(002625)的一则公告似乎是上述消息的延续。龙生股份称,拟以7.15元每股的价格,向达孜映邦、光启空间技术、达孜鹏欣资源(600490)等共计十名特定投资者,定增募集72亿元用于投资超材料智能结构及装备产业化项目、超材料智能结构及装备研发中心建设项目。公司方面对此表示,超材料智能结构在运输装备、无损检测、医疗器械、生产制造、土木工程等多方面有着广阔的应用前景和巨大的市场空间。此外,从股权关系来看,另一家上市公司鹏欣资源也涉足了超材料领域。

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