朱睿：風景這邊獨好

□ 武光磊

“超材料”是21世紀以來出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來自特殊的人工微結(jié)構(gòu)。廣義來說，超材料主要包括“左手材料”、光子晶體和超磁性材料等。超材料以其特殊的微結(jié)構(gòu)可能成為發(fā)掘材料新功能、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)新方向、突破稀缺資源瓶頸等的有力手段，從而成為各國競爭的焦點。正如德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授所說：“‘超材料’這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學領(lǐng)域引起轟動，接著長驅(qū)直入，進入包括熱力學在內(nèi)的多個領(lǐng)域，最近又開始在力學領(lǐng)域掀起狂瀾。”

北京理工大學宇航學院力學系教授朱睿把超材料作為主攻對象，已在該領(lǐng)域奮戰(zhàn)10年有余。十幾年的探索，朱睿在超材料的研究中取得了開創(chuàng)性的成就。而他并沒有止步，仍在力學超材料領(lǐng)域不斷探索。

讓“隱身斗篷”成為現(xiàn)實

在喬安妮·凱瑟琳·羅琳所著的《哈利波特》系列小說中，有一件神奇的道具“隱身斗篷”，它常被哈利拿來干一些諸如從霍格沃茨魔法學校里偷跑出來的事。這被“哈迷”們羨慕不已。然而，不止在科幻小說中存在“隱身斗篷”，現(xiàn)實中科學家們也一直在研究它。美國普渡大學的科研人員就以愛因斯坦的廣義相對論為理論基礎(chǔ)，用納米技術(shù)與材料對“隱身斗篷”進行了研制。但是，以此研制出來的“隱身斗篷”或多或少都存在技術(shù)“短板”，使“隱身斗篷”未能完全現(xiàn)身現(xiàn)實生活。一直研究超材料的朱睿向記者說到，截至目前，科學家在“隱身斗篷”研制上取得的最大成果是美國伯克利大學的一個研究小組在2015年制作的一片“金羊毛”。但要真正對彈性波實現(xiàn)諸如“隱身斗篷”般的新奇操控，還要尋找性能更優(yōu)越的材料。

21世紀，能夠改變?nèi)魏涡问讲ǖ膫鞑ヂ窂降某牧蠙M空出世，這為完全實現(xiàn)“隱身斗篷”提供了可能。超材料最初用于調(diào)制電磁波。由于其具有負有效參數(shù)特性（如負磁導率、負介電常數(shù)等），超材料可表現(xiàn)一些新奇現(xiàn)象，如負折射率、反常多普勒效應、左手現(xiàn)象等。由于電磁波在光子晶體中傳播與彈性波（如聲波）在聲子晶體中傳播有相似之處，因而彈性波超材料在聲學等領(lǐng)域受到極大關(guān)注。

朱睿

朱睿就一直致力于聲學與彈性波超材料的設(shè)計，并把相關(guān)研究擴展到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與振動、噪聲控制等方面。2008年，朱睿從北京理工大學固體力學專業(yè)碩士畢業(yè)后，進入美國阿肯色大學小石城分校機械工程專業(yè)攻讀博士學位，之后留在美國工作，直到2017年被引進回國。在美國近10年的歲月里，朱睿在彈性波超材料控制領(lǐng)域進行了大量的研究工作。博士及博士后期間，他就設(shè)計并制備了由單一金屬材料構(gòu)成的具有等效負密度與負彈性模量的超材料，這首次從實驗上實現(xiàn)了彈性波在亞波長超材料中的負折射，從而掌握了復雜彈性波控制的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)成為了開啟彈性波超分辨率透鏡和彈性波“隱身斗篷”大門的關(guān)鍵鑰匙。朱睿把研究成果發(fā)表在期刊Nature Communications上，被多家國際知名科技網(wǎng)站如ScienceDaily報道。

一個多世紀以來，科學家一直滿懷熱情地探索如何用材料來操控波。朱睿深迷其中。回國后的朱睿繼續(xù)展開彈性波超材料的研究。在最近的研究工作中，朱睿成功設(shè)計了能夠突破分辨率極限的彈性波Hyperlens。這對航空、車輛及橋梁建筑的無損檢測和健康監(jiān)測的發(fā)展具有深遠意義。朱睿說，相關(guān)的設(shè)計與仿真論文已經(jīng)被國際聲學頂級雜志JASA接收，現(xiàn)在他們正在展開實驗方面的突破性研究。

心有多大，舞臺就有多寬廣。在彈性波超材料的成就之下，朱睿又積極向振動與噪聲控制、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域拓展。在振動與噪聲控制領(lǐng)域，朱睿成功地設(shè)計了輕質(zhì)、高強度的超材料蜂窩梁，從而為工程結(jié)構(gòu)在低頻段的隔振與抗噪設(shè)計提供了新思路。這推進了彈性波超材料在航空航天領(lǐng)域方面的實際應用。在此基礎(chǔ)上，朱睿又在微結(jié)構(gòu)設(shè)計中引入了可由外部電路控制的壓電材料，并實驗展示了超材料帶隙結(jié)構(gòu)的主動可控性，成功地將電子與數(shù)字控制引入到彈性波超材料中，克服了超材料固有的窄帶局限，有效地拓展了超材料的工程適應性與應用前景。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，朱睿研究了頻率—波矢域里的時間反演鏡法及相控陣成像技術(shù)，這些成果極大地提高了航空航天結(jié)構(gòu)的探傷和成像速度，并為實時對飛行器進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了理論與算法支持。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域頂級的雜志Smart Materials and Structures上。此外，他還在不破壞現(xiàn)有工程結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入超材料，從而實現(xiàn)了彈性波平板聚焦。該項創(chuàng)新技術(shù)極大地提高了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中關(guān)鍵的信噪比，并已成為結(jié)合超材料和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的前沿課題。

超材料全球市場規(guī)模在2010—2020年間將以高達41%的年復合增長率發(fā)展。隨著全球“工業(yè)4.0”進程持續(xù)深化，“智能+”應用領(lǐng)域不斷擴大；高速列車、新型地面行進裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領(lǐng)域千億規(guī)模的超材料產(chǎn)業(yè)集群也正在崛起。在國外掌握了超材料核心研發(fā)技術(shù)的朱睿把這些“財富”帶回了祖國，用于祖國超材料的研究。現(xiàn)在，他在北京理工大學進行的研究，在國際超材料領(lǐng)域也是處于并跑甚至領(lǐng)跑的位置。而對他來說，能不能把自己研究的超材料用起來，這才是他最關(guān)心的，他也將為實現(xiàn)超材料的應用傾注更多努力。

對未來規(guī)劃的書寫

在美國工作期間，朱睿作為核心高級研究人員參與并完成了包括美國空軍（AFSOR）、美國國家能源部（DOE）、美國國家航空航天局（NASA）、美國國家科學基金會（NSF）等多項國家級項目的研發(fā)。可以說，美國彈性波超材料研究地位的建立，朱睿所貢獻的力量不可忽視。而他卻在2017年回到了北京理工大學。對于回國的原因，他說到，祖國好像地球一般存在引力，無論你走多遠，最終都會被吸引回來。

回到北京理工大學的朱睿順利、有序地展開了科研工作。在采訪中，朱睿說，他非常感謝北京理工大學對他工作的支持。“學校把科研工作所需的一切都給我安排妥當，讓我無所顧慮，只需專注于研究。”

在學校全力的支持下，朱睿在如期展開目前研究工作的同時，也對未來的工作進行了規(guī)劃。在積極響應國家“十三五”大力發(fā)展高端材料及加快大飛機研制的國家戰(zhàn)略下，朱睿希望利用在美國多所頂尖高校主導與參與超材料及航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中積累的科研經(jīng)驗與掌握的核心技術(shù)，積極開拓新的研究領(lǐng)域。

一直關(guān)注著國際上超材料以及航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的科研前沿，且在掌握了彈性波超材料及蘭姆波損傷成像這兩大核心技術(shù)下，朱睿還希望能以北京理工大學宇航學院為平臺在5年內(nèi)建立一個集最新聲波/彈性波超材料研究與先進航空結(jié)構(gòu)監(jiān)測應用于一體的創(chuàng)新實驗室。新型功能性聲波/彈性波超材料的研究、高性能超材料波控器件的開發(fā)、高靈敏度高速高精度結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)，是他圍繞國家在關(guān)鍵材料以及航空航天等重要領(lǐng)域的需求準備展開的3個研究方向；同時，他還要建設(shè)一支既能腳踏實地、有效服務(wù)于國家發(fā)展戰(zhàn)略，又具有廣闊國際視野的研究團隊。“希望在我與團隊的努力下，能夠開發(fā)輕質(zhì)、高強度的新型功能性超材料、可調(diào)帶寬的超分辨率聲波/彈性波透鏡及新一代高靈敏度高速高精度航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)與自適應超材料，并把這些研究成果應用于航空、車輛、建筑等行業(yè)，為國家、社會服務(wù)。”朱睿說道。

世上無難事，只怕有心人。在攀登科研的途中，保持好奇心、專注力，具備恒心與耐心，一直是朱睿戰(zhàn)勝困難的“法寶”。這兩件“法寶”也讓他在困難中頻頻制勝。現(xiàn)在，在超材料領(lǐng)域突圍沖刺，對他來說，沒有倦怠與困惑，有的只是風景這邊獨好。