智能超材料研究與進展

于相龍，周　濟

(清華大學 材料學院 新型陶瓷材料與精細工藝國家重點實驗室, 北京 100084)

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特 約

智能超材料研究與進展

于相龍，周濟

(清華大學 材料學院 新型陶瓷材料與精細工藝國家重點實驗室, 北京 100084)

本文以智能超材料關鍵技術為主線，基礎研究和新產品研發為輔，簡要論述近年來智能超材料的發展現狀和趨勢。根據智能超材料所調控激元的不同，可分為智能電磁超材料，智能機械超材料，智能熱學超材料，智能耦合超材料，此外兩項關鍵技術為智能超材料新型設計與仿真技術和材料制備技術與材料基因工程。這些智能超材料在科學基礎研究方面涉及超材料中多物理場耦合機制，新型人工原子與人工分子設計，超材料與自然材料的融合，超材料可調性探索和新型傳感型超材料機制探求。基礎研發和技術拓展將推進智能超材料施展到更加廣泛的應用領域，如微型天線及無線互聯，光電磁隱身，醫學圖像上用的完美成像，航空航天和交通車輛所用的智能蒙皮，精密儀器制程與片上實驗室集成型超材料等。基于上述國內外智能超材料研究的發展趨勢，本文進行了系統性的分類厘清，并分析了其研究現狀，給出了我國智能超材料發展的美好愿景。

超材料；光學超材料；機械超材料；熱學超材料；智能耦合超材料

智能材料泛指能夠感知外界環境并做出響應的材料。智能超材料除具備這一特性外，與傳統功能材料不同之處在于，通過特殊的微結構設計來調制電磁波和彈性波，展示出均勻材料所不具備的，新穎奇異的力、熱、聲、光學性能，尤其是這些性質主要來自人工的、特殊的結構設計。就像新生兒來到這個世界上，從第一眼看見，親耳聽見，親手去觸摸這個世界，直到心靈的感知體悟，人工智能超材料也經歷了相似的演進，其源于光學超材料，到聲學、熱學及力學超材料。之初，人們希望能夠像控制固體中電子的傳輸行為一樣來控制和利用光子，使得光子最終能成為一種有用的信息載體。光作為信息載體在傳播速率、信息容量以及能量損耗等方面優越于電子，極有可能在信息技術和產業發展中起重要作用，因而如何實現對光子的調控變得尤為重要與緊迫，光學超材料應運而生，圖1簡略演示光學超材料一些新奇的電磁現象。隨著對光學超材料研究的深入，超材料也被拓展到對聲和其他元激發的調控領域,如彈性波方面的聲學超材料，機械超材料和熱學超材料等其他具有奇異特性的智能超材料。結合傳統的凝聚態物質材料科學與各種新型微納米加工技術，面向下一代信息與新能源技術，超材料正成為當今微結構材料科學中新學科的前沿。

圖1　光學超材料呈現自然界不曾出現的負折射、超透鏡、光學隱身的奇異特性[1-9]Fig.1　Optical metamaterials show some counterintuitive properties: negative refractive index, superlens and optical cloaking[1-9]

鑒于超材料具有高度的可設計性，為發展各類新型智能材料提供了理想的材料平臺。目前發展出的超材料主要是一些被動型材料，如具有超常介電常數、磁導率、折射率的材料等，而在智能材料方面的應用尚待開發。盡管如此，智能超材料所涉及的內容依然很廣泛，是一大類新型功能材料的總稱，包括一些光學超材料、聲學超材料(與彈性振動波相應，用于操縱和利用聲子傳播)、力學超材料(吸聲介質，超黏滯材料)、熱學超材料(調控熱能的傳輸與轉換)、聲子晶體(超高精度控制單個聲子，進而對動態溫差調控)等。故而，本文嘗試著從科學研究、關鍵技術和新產品應用三個層面，對智能超材料研究應用進行簡要概述和厘清，并概略闡述其在國內外的研究發展狀況和趨勢。

表1給出了本文在智能超材料基礎研究、關鍵技術和新產品應用三個層面上所要論述的要點。在科學研究層面上智能超材料的基礎研究涉及：(1)超材料中多物理場耦合機制，即利用微結構單元間的多物理場耦合效應去實現超材料的智能響應；(2)新型人工原子與人工分子設計，即通過構造新型功能單元實現超常響應；(3)超材料與自然材料的融合，即利用天然功能材料的智能性質與超幾何結構融合，以實現超常現象的探索和設計以及新機制的發現；(4)超材料可調性探索，即基于可變電路、幾何結構、材料特性，對施加信號相位、振幅或頻率的調制，改變超材料的熱、力學和電磁性質；(5)新型傳感型超材料探索，即基于超材料對電磁場局域增強及對周圍環境的介電性敏感等特性，可用于無標記的生物檢測及相關方面的研發。根據微結構單元類型和應用范圍的不同，智能超材料的關鍵技術可分為以下六大重點方向：(1)智能電磁超材料，利用微結構單元類似于計算機的0/1開關屬性，進行非周期陣列，以實現編程可控的響應輸出；(2)智能機械超材料，三維網狀金屬固體結構，卻類似于理想流體，極易流動，從而實現二維流體的響應性能；(3)智能

表1　智能超材料在科學，技術和新產品應用層面的論述要點Table 1　An outline of smart metamaterials from the aspects of science, technology and products

熱學超材料，可感知外部熱源、主動響應的人工復合材料及結構，潛在應用于微納米結構的熱電轉換；(4)智能耦合超材料，基于光子電路，通過亞波長尺度人工結構實現局域電磁場調控與位移矢量調控；(5)智能超材料新型設計與仿真技術；(6)智能超材料制備技術與材料基因工程。最后，在新產品研發應用中，可分為(1)微型天線及無線互聯；(2)光電磁隱身；(3)醫學圖像上用的完美成像；(4)航空航天和交通車輛所用的智能蒙皮；(5)精密儀器制程與片上實驗室集成型超材料。因此，本文將以智能超材料的關鍵技術為主線，基礎研究和新產品研發為輔，簡要地論述近年來智能超材料的發展現狀趨勢。

1　智能超材料研究概述

1968年Veselago首次提出“負折射率”的概念[10]，具有這種負折射率性質的平板材料可以像透鏡一樣，使得平行入射光線匯聚到一點[11]。這與直覺相悖的研究結果拉開了超材料研究的序幕。超材料正是基于其微結構單元的幾何結構與物性，如共振與激發、形狀因子與手性等,以及它們空間排列所導致的關聯與相互作用，從而實現許多自然材料所沒有的，新穎的力、熱、聲、光等調控功能特性。從研究比較深入的光學電磁超材料，到聲學、熱學，及現在的機械超材料，超材料理論機制方面涉及電磁、機電、光熱、光機等多物理場耦合，幾何結構的實現方面多用金屬諧振結構、介質諧振結構、聲波諧振和非諧振人工原子及分子。目前科學基礎研究主要考慮如何將現有超材料與自然材料相融合，實現超材料在不同頻段的可調性，開發有源器件，從而不斷深入地開發出新型的傳感型超材料。相應地，超材料的微結構單元設計的任意性，物理過程的多樣性，不同尺度的特殊性，派生出來了新型理論設計與仿真技術、制備技術與材料基因工程。鑒于智能超材料的新穎特性，可廣泛應用于微型天線及無線互聯、光電磁隱身、醫學完美成像、國防民用各種交通工具的智能蒙皮、其他精密儀器制備和片上實驗室等不同前沿領域。

1.1智能電磁超材料

智能的電磁波調控又包括數字可編程超材料[12]、計算超材料[13]、光開關超材料[14]。這類智能超材料利用其微結構單元類似于計算機的0/1開關屬性，進行非周期陣列，以實現編程可控的響應輸出，如圖2所示。可記憶超材料[15]則類似于憶阻器，不同的是基于光子電路，通過亞波長尺度人工結構實現局域電磁場調控，以實現在光電路中可記憶功能元器件的研發。智能電磁超材料涉及電磁多物理場耦合機制，可采用不同的諧振結構單元實現[16]，圖3演示了常用作為“人工原子”的亞波長微結構共振單元。

1.2智能機械超材料

機械超材料源于聲學超材料彈性波的傳播行為過程中，可以看做是彈性的激發初始的人工材料設計。按所調控的彈性模量不同可分為：超強超硬超材料，可調節剛度超材料，負壓縮性超材料，反脹、拉脹超材料和智能超流體。其中智能超流體，工業技術上又稱為“金屬水”，其本身是一種三維的幾何拓撲網狀金屬固體結構，而其剪切模量近似于零，從而實現二維流體的響應性能。最具代表性的五模式材料[18](如圖4)，該材料6個分量等效彈性張量中有5個為0的本征值(只有1個非0)，也就是橫向幾乎沒有形變，類似于理想流體，難以壓縮卻極易流動。鑒于這種超材料極具潛力，科研人員將這一研究成果開發用于海底“無觸感”斗篷隱身技術[19]，如圖5所示，也有研究者正在研制用于隱身的智能蒙皮材料。

圖2　具有0/1開關屬性的數字可編程超材料進行智能電磁波調控[12](a)數字超平面0/1構成；(b)結構單元及其響應；(c)，(d)利用兩種不同的結構形式去調控光束散射Fig.2　The 1-bit digital metasurface and coding metasurface[12]　(a)consisting of two types of elements: ‘0’ and ‘1’; (b)a square metallic patch unit structure (inset) to realize the ‘0’ and ‘1’ elements and the corresponding phase responses in a range of frequencies;(c),(d) two 1-bit periodic coding metasurfaces to control the scattering of beams by designing the coding sequences of ‘0’ and ‘1’ elements

圖3　一些人工電磁材料的結構示意圖[17]Fig.3　Various 3D photonic-metamaterial structures[17]

圖5　“無觸感”斗篷隱身技術理念，智能超材料將圓柱 體隱匿起來，使其無法被手指感覺到[19]Fig.5　Illustration of the elasto-mechanical cloak: a rigid hollow cylinder embedded in a homogeneous three-dimensional pentamode metamaterial environment, any object can be placed inside of the hollow interior and thereby becomes “unfeelable”[19]

與此同時，俄羅斯雷洛夫國家研究中心進行工業化研制，開發了擁有定制化設計的結構和密度分布智能材料。這種設計可有效吸收和減弱聲波的反射信號，從而顯著提高潛艇的隱身能力。但這種智能超材料并不僅僅是為了使物體隱形，其目的是將物體的物理作用力隱藏起來，使物體無法被人感覺到。這種特別的智能超材料是一種在某些性質上類似液體的固體晶格，能夠使外部施加的壓力發生偏轉，同時可以轉移破壞性較大的地震波[20]。

智能機械超材料種類繁多，目前大部分在研究階段[21]。在力學上“可編程”的超材料，其實像是一塊多孔的橡膠板，經過特殊孔型及拓撲設計，可以在縱向和橫向上進行壓縮，表現出所謂“負剛度”或是剛度可調的性質。因此，這種智能機械超材料可以有效地吸收能量，可用于減震的汽車保險杠，或是根據不同地形調整舒適度的鞋子。還有其他反脹材料，如反彈陶瓷管制品，在被壓縮到50%之后還能反彈復原。這對于脆性氧化鋁陶瓷材料來說，將具有相當廣泛的應用前景。

1.3智能熱學超材料

智能熱學超材料是近年來才提出的新型熱能利用和調控的智能材料。自然界中的傳統材料，其熱導系數在空間均勻分布，熱量從溫度高的一端直線流向溫度低的一端，這是人們所熟知的熱傳導模式。然而，如果能實現空間熱導系數的非均勻分布，通過對宏觀熱擴散方程的空間變化，則可以實現對熱流方向的調控作用。這種通過人工改造而實現熱導系數非均勻分布的材料被稱為熱超材料[22，23]。智能熱學超材料是可感知外部熱源、主動響應的人工復合材料及結構，潛在應用于微納米結構的熱電轉換。一般可分為兩大類：控制熱流和利用熱能；用聲子進行信息傳輸和處理[24]。圖6為基于隱熱衣研制開發的熱偽裝器件。

圖6　智能熱學超材料[25]　(a)熱隱身器，中間藍色人形(或者實驗室中采用的銅柱)可被隱身； (b)，(c)熱偽裝器 (1)概念示意圖；(2)物理實現圖；(3)實驗測量的瞬時溫度場簡況Fig.6　Thermal metamaterials[25]　(a)thermal cloaking;(b),(c)thermal camouflage；(1) corresponds to conceptual scheme; (2)corresponds to physical realization;(3)experimental measurement of transient temperature profiles

1.4智能耦合超材料與隱身技術

現有隱身技術是通過減小作戰平臺對入射電磁波或聲波的散射截面進行隱身，而超材料則不再是反射或吸收波，而是改變波的傳播路線，使波發生彎曲，以達到繞射傳播的目的從而實現隱身。因為極少有能量產生后向散射，超材料可以達到最佳的隱身效果。圖7為近年來才開始研制生產用于球形隱身的概念模型[6]。智能超材料的超表面配置基于可編程智能耦合超材料，可實現不同頻段，包括可見光的隱身[26]，如圖8所示。

圖7　基于轉換光學的球形隱身[6]　(a)二維截面視圖；(b)三維視圖Fig.7　Sphere cloaking based on transformation optics[6](a)2D cross section view;(b)3D view

1.5新型傳感型超材料與智能蒙皮

智能超材料的奇異性能很快在蒙皮技術領域得到拓展，在傳感器市場已開展相關技術儲備。如Toyota 和BMW 等著名汽車生產商已啟動電磁超材料研發。根據Toyota 中心研發實驗室的報道，智能電磁超材料預期在車載雷達掃描系統、移動通信天線、電動馬達用新型磁性材料和電磁兼容(EMC)中使用的高性能吸收與屏蔽材料中獲得推廣[27]。Toyota 開發了新型的頻率不敏感左右手復合漏波掃描天線，其具有寬波束掃描、高增益和易生產的優勢。此外，LED 頭燈和紅外成像夜視系統也是超材料的應用研究方向。圖9展示了超材料在汽車行業的潛在和實際應用[28]。美國杜克大學的研究人員研制出了一種超材料圖像傳感器，無需鏡頭即可拍攝照片。通過在柔性基底上印制能夠捕捉不同頻率光線的超材料微結構，再加上一些電路板和軟件，這部只有傳感器的相機就可以進行拍攝。這一技術可取代傳統攝像機應用在智能車輛蒙皮上。

在衛星通信行業，美國Kymeta公司借助智能電磁耦合超材料，采取全息技術實現對目標衛星的動態電子掃描對準。在近紅外頻段，智能熱學超材料正在被研究用于控制熱量定向輻射。美國Plasmonics公司與美國Sandia國家實驗室利用超材料的非朗伯(non-Lambertian) 輻射特性來設計和制作具有方向性的輻射表面。這種超材料表面的一個潛在應用是對衛星的熱量控制。在能源領域，集成了超材料納米復合材料的薄膜技術可以收集更寬角度的入射光線并吸收其中的可用頻譜，顯著提高太陽能轉化的效率。在航空航天方面，采用超材料技術的納米復合材料被用于調控寬角度入射的光線。在全球“工業4.0”進程持續深化、“智能+”應用領域不斷擴大的背景下，超材料智能結構作為戰略新興產業及人工智能革命中的代表產品，具有巨大的發展空間和良好的市場前景。

1.6智能超材料制備與基因工程

與自然材料設計一樣，超材料也可以從基本結構單元，即材料基因為出發點，對材料的各種物理性質進行精確的計算和預測，揭示其材料的基本參數，或者說是材料基因組合，與宏觀物理性質的相關規律[29]。但作為一種新興的交叉應用科學，超材料的結構單元設計具有很大的任意性，物理過程的多樣性，不同尺度的特殊性，使得超材料的計算模擬、材料的制備、實驗測量和數據積累非常的龐雜[30]。多種幾何結構形式的提出，但未能系統的比較和歸納，缺乏整體的協同創新和數據共享，這一發展模式，極大地限制了超材料向實際應用領域的發展。

圖8　智能耦合超材料的超表面隱身衣[26]　(a)以數千塊細小的具有負阻抗金屬片制成； (b)經計算編程將這些“特異材料”片排列成可以“抓取”微波，并令其路徑變彎；(c)進而控制光線Fig.8　Schematics of smart coupled metamaterials[26]　(a)an ultrathin metasurface formed by structured metal (top) combined with lumped negative impedance converters based on complementary metal-oxide semiconductor technology;(b)assembly of an active non-Foster metasurface;(c)a mantle cloak designed for a dielectric infinite cylinder under transverse-magnetic illumination

圖9　可在汽車領域應用的工業級超材料[28]Fig.9　Industrial metamaterials available in automobile application[28]

在智能超材料新型設計與仿真中，相當數目的軟件用于超材料的設計和計算。但是每個軟件都有各自的局限性，只能用于某些特殊條件下的計算。同時，對于不同學科的超材料的研究，材料的制備、表征和測量等實驗技術相差很大。針對以上超材料發展的狀況，很有必要將超材料納入材料基因組計劃，從而建成完整的超材料高通量的實驗平臺，將為超材料的理論分析和計算提供實現的技術基礎，并為超材料的應用開發提供數據和資料。這將大大加快超材料從基礎研究向應用研究的轉化速度。

2　智能超材料的國內外發展

2.1國際智能超材料發展現狀與趨勢

在超材料基礎研究方面，隨著超材料研究的不斷深入，智能超材料越來越廣泛地涉及多種物理場的耦合效應，如電磁、機電、光熱和光機耦合，實現超材料的智能響應。不僅需要考量幾何結構整體，也需要考慮加入了微結構單元中非均勻體系，對機制的探究主要有美國杜克大學Smith團隊[31]，新加坡南洋理工大學Singh團隊[32]，德國斯圖加特大學Giessen團隊[33]。對于新型人工原子與人工分子設計，需考量涉及理論結構設計及實驗論證的不同方面，美國加州大學伯克利分校張翔團隊[34]，德國耶拿大學Lederer團隊[35]，英國倫敦大學帝國理工學院Maier團隊[36]，相繼提出了各種不同的諧振結構形式，如金屬基、介質、聲波和其他非諧振結構。對于超材料與自然材料相融合的理念[30]，首先由我國清華大學周濟團隊提出，隨后美國愛荷華州立大學Soukoulis團隊[37]和德國卡爾斯魯厄理工學院Rockstuhl團隊[38]，先后跟進探索及設計新機制。從現有線性無源系統，美國賓夕法尼亞州立大學[39]，英國南安普敦大學[40]等對電磁超材料進行了可調性的探索。美國德州大學奧斯汀分校Alu團隊[26]和德國達姆施塔特工業大學Jakoby團隊[41]對新型傳感型超材料進行了探索，研究電磁場局域增強及對周圍環境的介電性敏感等特性。綜合來看，這一領域的基礎研究方面，優勢的國家有德國、美國、新加坡和英國，優勢的機構是德國卡爾斯魯厄理工學院Wegener團隊[17-19]，美國杜克大學Smith團隊[1,6,31]，英國倫敦大學[36]。不過目前，智能超材料的研究多轉向海內外的華人研究團隊，例如我國清華大學[30]，南京大學[9,21]，香港科技大學[42], 復旦大學[43]等及美國加州大學伯克利分校張翔[34]，美國東北大學的Liu[44]，佐治亞理工學院的Cai[45]，新加坡南洋理工大學[32]等科研團隊。

在智能超材料的關鍵技術方面，涉及四大類微結構單元類型，電磁、機械、熱學和耦合超材料，以及設計仿真和材料制備兩大方面的技術研發。智能電磁超材料，主要研究機構來自美國、新加坡、俄羅斯和英國等國，如美國賓夕法尼亞大學[39]，英國的倫敦大學[36]。相比較，智能機械超材料起步較晚，在2012年由德國的Wegener團隊[46]利用激光直寫技術制備,由點接觸的雙錐結構構成。另外，美國華盛頓特區的國家研究中心Layman等[47]從理論上說明了當體模量與彈性模量的比值從較小的100增大至1000時，將從本質上導致彈性斗篷呈現完美的隱性性能。同樣的，俄羅斯雷洛夫國家研究中心進行了擁有定制化設計的結構和密度分布等不同方向的研制開發。智能熱學超材料也是近些年才提出的，在2008年我國復旦大學黃吉平團隊等[48]將光學隱身的理念推廣到熱學領域并提出熱學隱身衣的設計原理。在實驗研究方面，哈佛大學的Sato團隊[49]，德國卡爾斯魯爾工業大學Wegner團隊[50]，新加坡國立大學李保文、仇成偉聯合團隊[51，52]，新加坡南洋理工大學[53]先后獨自實現了熱屏蔽/熱隱身衣功能。在智能耦合超材料方面，有許多研究組正致力于通過亞波長尺度人工結構實現局域電磁場調控與位移矢量調控，如加州理工大學的Painter團隊[54]、日本京都大學的Noda團隊[55]和德國Ulm大學Unold團隊[56]。在智能超材料結構設計仿真和材料制備兩大方面關鍵技術，分別集中在美國亞利桑那大學[57]、法國巴黎第十一大學[58]、印度理工學院[59]，美國普渡大學[60]和德國斯圖加特大學[33]。總的說來，智能超材料關鍵技術的研究機構來自美國、德國，俄羅斯和英國等歐美國家，除智能熱學超材料我國處于國際領先地位外，其他關鍵技術，尤其是智能機械超材料，由于領域內材料制備技術的局限，德國、美國和俄羅斯處于領先地位。

在超材料產品的工業應用方面，主要有Kymeta公司、分形天線系統公司、超材料技術公司、工業企業Haris公司、Kyocera無線公司、EMW等。大型航空航天和國防承包商包括洛克希德馬丁公司、波音公司、雷神公司和三星公司。美國杜克大學Smith 團隊[1,6,31]在光電磁隱身和醫學完美成像，美國斯坦福大學Byer-Fejer團隊[61]在精密儀器制程與片上實驗室處于領先水平。

2.2國內智能超材料發展現狀與水平

我國在智能超材料方向的基礎研究和關鍵技術兩方面與世界幾乎同步，有相當好的研究基礎。較有影響的研究團隊包括：南京大學閔乃本、祝世寧、陳延峰等[9,21]在光學超晶格、光學超材料及聲子晶體等方面的研究，集中在多種物理場的耦合機制、智能機械超材料、智能耦合超材料、智能超材料制備技術與材料基因工程等方面；香港科技大學的沈平、陳子亭等[62,63]對聲超材料的有效介質理論等基礎性的研究，體現在新型人工原子與人工分子設計和智能超材料新型設計與仿真技術；中國科學院物理研究所張道中、程丙英、李志遠、顧長志等[64-66]進行了光子晶體、等離子體基元超材料、左手材料等領域的研究，如新型傳感型超材料探索；清華大學周濟等[67,68]在介質基及本征型超材料，尤其在超材料與自然材料的融合[30]，超材料可調性探索，電磁、耦合和設計仿真等關鍵技術方面都進行了研究。東南大學崔鐵軍等[12,31]在微波超材料方面的研究，體現在新型人工原子與人工分子設計和數學編程。浙江大學孔金甌、何賽靈、陳紅勝等[69,70]對光學超材料進行了研究。西北工業大學趙曉鵬等[71]對分型超材料進行了研究。此外，西安交通大學徐卓、屈紹波[72]在智能光學超材料方面也做了相當多的探索。

在工業應用方面，我國深圳光啟高等理工研究院在國際上首開超材料工業化的先河，該研究院目前擁有國際超材料應用方面70%以上的專利，在智能隱身材料、智能通信系統、超傳感等領域已經有一些產業化成果[28]。在超材料標準方面，我國于2013年11月成立了由來自深圳光啟高等理工研究院、中航工業集團公司、航天科工集團、清華大學、中國鋼研科技集團、工業和信息化部電信研究院、中國標準化研究院、空軍裝備研究院、公安部第一研究所等單位的專家和學者組成超材料標準化委員會，目前已在國際上首次推出了超材料定義和規范等標準化文件。

總的來說，我國在智能超材料方面的基礎研究處于國際先進水平。研究機構正積極開拓超材料研究領域，以南京大學、清華大學、東南大學、西北大學、浙江大學等為代表，在國際上已形成了有一定影響力的研究隊伍，相關課題組也做了許多重要的開創性工作，引起了國際學術界的廣泛重視。不過，除智能電磁、耦合超材料外，其他方面均處于起步階段，還有很多基本問題需要研究。以智能超材料制備的核心技術為例，科研基礎依然薄弱，我國應加大相關材料的基礎研究以及研發升級等領域的投入，并制定相關的政策，從而使我國的智能超材料研發方面在弱勢領域中趕超，在強勢領域中保持優勢。此外，科研成果的產業化水平仍然不高，亟待提高轉化效率，縮短科研成果從實驗室走向產業應用的時間。為此，應加強相關領域內的高校及科研院所與相關產業企業的合作，積極鼓勵科研創新，促使我國企業擁有更多的自主知識產權，從而在相關領域形成國際競爭力。

3　結束語

綜上所述，本文簡要地就智能超材料進行了系統性的分類，并扼要地予以論述。基于基礎研究、技術發展和新產品研發等方面，對國內外發展狀況，進行了科學性的評述。但值得指出的是，智能超材料種類繁多蕪雜，未盡之處，在所難免。本文盡最大努力列出智能超材料可能的發展方向，以期為有志深入此領域者，拋磚引玉。

(1)智能光學超材料，在于調控包括太赫茲在內的不同頻段電磁波，在未來發展中，可能將更傾向于數學化可編輯控制領域或傳感器復合型超材料。之前成熟的超材料技術將有望在實際生產生活及工業化進程中得到廣泛的推廣和應用。

(2)智能機械超材料，是基于多孔，折紙，五模式等復雜拓撲結構來調控彈性波的一類新興超材料，許多基礎研究性的工作尚待開展，尤其是如何將凝聚態物理晶體學領域的傳統理論，轉化為人工微結構的設計與表征。這些可能是智能機械超材料研究必須考慮的問題。

(3)智能熱學超材料，是如何用人工微結構來控制熱流和利用熱能。這一超材料要么與納米尺度聲子晶體結合，要么與其他物理場耦合，方能真正展示智能熱學超材料本身的獨創新穎性。

(4)新型的人工原子及微結構單元的設計將在未來超材料設計中占有相當的比重，尤其是目前DNA編碼技術和MOF研究的開展，更加有利于地促進人工原子系統理性的設計。

(5)材料制備和仿真技術的基因工程方面，必須清醒地認識到模擬仿真與實驗技術的有效互補融合。必須承認數值模擬是對現實世界諸多因素的簡化分析，如在機械超材料中的方形折紙技術，數值仿真已證明沒有實現的可能，但是在實際實驗中，選擇更加柔性的材料，利用最簡單的操作也完全可以制作出來。因此，在超材料設計數值模擬與實驗之間，人所發揮的是不可替代的作用。如何整合現有的模擬和材料制備系統，建立專家式系統化的基因工程，也是超材料設計中必須要應對的迫切問題。

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Research Advance in Smart Metamaterials

YU Xiang-long, ZHOU Ji

(State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing,School of Materials Science and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Metamaterials, man-made materials, enable us to design our own “atoms”, and thereby to create materials with unprecedented effective properties that have not yet been found in nature. Smart metamaterial is one of those that is an intelligent perceptive to the changes from external environments and simultaneously having the capability to respond to thermal and mechanical stimuli. This paper can provide a review on these smart metamaterials in perspective of science, engineering and industrial products. We divide smart metamaterials according to what they are tuning into: optical, mechanical, thermal and coupled smart metamaterials. The rest of two techniques we addressed are modelling/simulation and fabrication/gene engineering. All of these types smart materials presented here are associated with at least five fundamental research: coupled mechanism of multi-physics fields, man-made design for atom/molecular, metamaterials coupled with natural materials, tunability of metamaterials, and mechanism of sensing metamaterials. Therefore, we give a systematic overview of various potential smart metamaterials together with the upcoming challenges in the intriguing and promising research field.

metamaterial; optical metamaterial; mechanical metamaterial; thermal metamaterial; smart coupled metamaterial

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.07.020

TB34；TB381

A

1001-4381(2016)07-0119-10

國家自然科學基金項目(51532004, 11274198)；博士后項目基金(2015M580094)

2016-04-09；

2016-05-17

周濟(1962-)，男，教授，研究方向為超材料，信息功能材料與元件，聯系地址：北京市海淀區成府路清華大學材料學院(100084)，E-mail:zhouji@tsinghua.edu.cn