在科幻電影中，那些具有超強(qiáng)本領(lǐng)的人被稱(chēng)為“超人”；在現(xiàn)實(shí)生活中，那些具有超強(qiáng)計(jì)算和處理能力的計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為“超算”……
在五花八門(mén)的材料世界里，也有一種物理性質(zhì)“超?！钡奶厥獠牧?，叫做“超材料”。這種材料在自然界并不存在，是本世紀(jì)才出現(xiàn)的一種具有特殊性質(zhì)的人造材料。它通過(guò)對(duì)某種材料的再加工，并在其表面或內(nèi)部設(shè)計(jì)出特殊幾何結(jié)構(gòu)或排列方式，使其擁有天然材料所不具備的特殊性質(zhì)。天然材料的性質(zhì)是由其成分來(lái)決定的，超材料的“超?！毙再|(zhì)則源自其后天的結(jié)構(gòu)。
隨著科技的進(jìn)步，在超材料基礎(chǔ)上還發(fā)展出數(shù)字超材料，或者叫數(shù)碼編程設(shè)計(jì)的超材料。這是一種通過(guò)特定設(shè)計(jì)、打破傳統(tǒng)規(guī)則結(jié)構(gòu)、擁有奇異光學(xué)及聲學(xué)特性的超材料。有了它，科幻乃至魔幻電影中的“隱身斗篷”“超級(jí)透鏡”等奇思妙想也將加速變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，人們的生活將會(huì)因此而發(fā)生重大的改變。
“反?！币蓡?wèn)，催生新奇材料
原本自然界中不存在的超材料，是如何“無(wú)中生有”孕育出來(lái)的呢？
1968年，蘇聯(lián)理論物理學(xué)家菲斯拉格發(fā)現(xiàn)，光束由空氣中斜射進(jìn)入水中，入射光與折射光位居法線(xiàn)兩側(cè)。于是，他突發(fā)奇想：是否還有另一種介質(zhì)，與上述現(xiàn)象相反，能讓入射光與折射光位居法線(xiàn)同側(cè)呢？
菲斯拉格的這個(gè)“反?！币蓡?wèn)，并非異想天開(kāi)。從理論上講，人們只需找到一種同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率材料，就能出現(xiàn)這一“反?！蔽锢憩F(xiàn)象。只是當(dāng)時(shí)沒(méi)有開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加之功能材料尚處于發(fā)展初期，菲斯拉格的這個(gè)大膽的科學(xué)猜想并未引起重視。
幸運(yùn)的是，隨著人們對(duì)電磁理論的深入理解和微納加工工藝的快速發(fā)展，一種在微納尺度上擁有周期結(jié)構(gòu)的人造器件誕生了。它不僅在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等一切理論預(yù)言，更是讓人們深刻地理解到：通過(guò)在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，人們可以突破自然規(guī)律的限制，獲得超常功能的“新物質(zhì)”，即具有奇異功能的超材料。
超材料是材料設(shè)計(jì)思想上的一個(gè)跨越式重大創(chuàng)新，被譽(yù)為本世紀(jì)前10年的10項(xiàng)重要科學(xué)進(jìn)展之一，已成為發(fā)掘材料新功能、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)新方向、突破稀缺資源瓶頸的有力手段。
創(chuàng)新永無(wú)止境。超材料方興未艾，數(shù)字超材料又應(yīng)運(yùn)而生。2014年，我國(guó)東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首先提出了數(shù)碼、電磁可編程的數(shù)字超材料概念。與擁有周期排布結(jié)構(gòu)的超材料不同，它由若干個(gè)單元按照編碼的方式排布，就好比給材料注入了活的“基因”，可由人們進(jìn)行調(diào)控。而這些新型材料將會(huì)忠實(shí)地聽(tīng)從“指示”，實(shí)現(xiàn)所需的各種奇異功能。
超級(jí)“另類(lèi)”，性能獨(dú)樹(shù)一幟
數(shù)字超材料的出現(xiàn)，實(shí)際上是現(xiàn)代信息工業(yè)與前沿物理領(lǐng)域相互結(jié)合的產(chǎn)物，它將“編碼思維”融入了新型超材料的設(shè)計(jì)過(guò)程。在數(shù)字超材料中，不同的編碼會(huì)帶來(lái)不同的電磁響應(yīng)，加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念，數(shù)字超材料自然成了材料領(lǐng)域的超級(jí)“另類(lèi)”，擁有了與眾不同、獨(dú)樹(shù)一幟的性質(zhì)和功能：
——結(jié)構(gòu)新奇，顛覆認(rèn)知。數(shù)字超材料結(jié)構(gòu)超級(jí)“另類(lèi)”，它既不同于天然材料依靠原子或分子結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能，又不同于傳統(tǒng)超材料擁有規(guī)則的人工單元結(jié)構(gòu)，而是完全采用數(shù)字編碼的方式，憑借微納加工技術(shù)注入的“材料基因”而擁有超常物理性質(zhì)和“超能力”，其全新、奇異的結(jié)構(gòu)完全顛覆了人們對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)知。目前，科學(xué)家們已經(jīng)研制出具備自我修復(fù)能力的仿生塑料、將熱電轉(zhuǎn)化為可用電力的熱電材料等“黑科技”產(chǎn)品。
——逆向設(shè)計(jì)，按需定制。數(shù)字超材料采用數(shù)字編碼的方式設(shè)計(jì)，擁有十分廣闊的設(shè)計(jì)自由度，可根據(jù)不同應(yīng)用需求來(lái)實(shí)現(xiàn)“按需定制”。而基于“數(shù)字”的可編碼特性，又能突破傳統(tǒng)材料“正向求解”的設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)各種約束條件，“從后向前”進(jìn)行“逆向設(shè)計(jì)”，從而可有效解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的限制和缺點(diǎn)。
——數(shù)字編碼，實(shí)時(shí)可控。與傳統(tǒng)的超材料相比，數(shù)字超材料的每個(gè)人工單元，可簡(jiǎn)化為“0”和“1”兩種狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)“0”“1”兩種單元的排列和組合，構(gòu)建不同性質(zhì)的組合單元，進(jìn)而組裝成整個(gè)材料，實(shí)現(xiàn)特定的功能。用“數(shù)字化”方式表征超材料物理特性，極大簡(jiǎn)化了超材料的設(shè)計(jì)流程，提高了材料設(shè)計(jì)的靈活度，擴(kuò)大了對(duì)材料性質(zhì)的調(diào)控范圍。若將可編程門(mén)陣列控制系統(tǒng)加載在結(jié)構(gòu)單元上，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字超材料物理功能的實(shí)時(shí)控制。
軍事應(yīng)用，助推轉(zhuǎn)型升級(jí)
超材料特別是數(shù)字超材料技術(shù)，是國(guó)際上重點(diǎn)關(guān)注的戰(zhàn)略前沿技術(shù)，它為新一代信息技術(shù)、國(guó)防工業(yè)、新能源技術(shù)等領(lǐng)域帶來(lái)了深刻變革。主要發(fā)達(dá)國(guó)家將其列為“六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”之一，紛紛開(kāi)展研發(fā)與應(yīng)用。
隨著高性能計(jì)算和微納加工工藝的快速發(fā)展，數(shù)字超材料所展現(xiàn)的超常物理特性將帶動(dòng)航空航天、新型裝備制造、人工智能等眾多領(lǐng)域的突破性發(fā)展，應(yīng)用范圍將拓展到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)各個(gè)方面。
在軍事領(lǐng)域，數(shù)字超材料也顯示出了廣闊的應(yīng)用前景：
——超材料天線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波調(diào)整接收和自動(dòng)校準(zhǔn)功能，拓展天線(xiàn)工作帶寬、降低能耗，有效增強(qiáng)天線(xiàn)的聚焦性和方向性，從而提高移動(dòng)通信容量和高速通信能力，提升軍隊(duì)信息化作戰(zhàn)水平。
——利用數(shù)字電磁超材料對(duì)電磁波的實(shí)時(shí)調(diào)控能力，能實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)、艦艇等武器裝備的全天候、多氣候條件下的電磁隱身、熱隱身、光隱身和聲隱身，增強(qiáng)其生存、突防能力。
——運(yùn)用數(shù)字超材料制作的傳感器，具有探測(cè)靈敏度高、戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)、柔軟性好等優(yōu)勢(shì)，將其用于下一代智能探測(cè)裝置，可使武器裝備擁有感應(yīng)更加靈敏的“器官”和“皮膚”，優(yōu)化并升級(jí)作戰(zhàn)性能。
此外，數(shù)字超材料還在智能穿戴、偵察、高性能全光計(jì)算等領(lǐng)域也展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，可為促進(jìn)武器裝備和部隊(duì)訓(xùn)練的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供技術(shù)支撐。
上圖為基于數(shù)字超材料的波長(zhǎng)分束器示意圖。