解釋超材料和超表麵——特性和應用
什麼是超材料，它們能做什麼？
前綴元（希臘語單詞的意思是“超越”）表明材料的特性超出了我們在自然界中看到的。超材料是一類新型功能材料，其設計圍繞著獨特的微納尺度圖案或結構，這些圖案或結構使它們以自然界中找不到的方式與光和其他形式的能量相互作用。
這些人工工程複合材料的性能來源於內部微觀和納米結構，而不是天然材料中的化學成分。因此，超材料結構可以實現一些特性和能力，而這些特性和能力通常是使用傳統的材料發現或化學製造技術無法實現的。
超材料通常由多個相同的元素構成，這些元素由傳統材料製成，例如金屬或非導電材料。想象一下，一個由數百萬個單位組成的魔方，比人類頭發的厚度還要小。
杜克大學電氣和計算機工程教授史蒂夫·卡默（Steve Cummer）用一些簡單的插圖解釋了超材料的概念。
超材料是如何工作的？
超材料設計的核心概念是通過使用人工設計和製造的結構單元來製作材料，以實現所需的性能和功能。
這些結構單元——構成超材料的人工“原子”和“分子”——可以根據形狀和大小進行調整，晶格常數和原子間相互作用可以人為調整，並且“缺陷”可以設計並放置在所需的位置。
通過將這些納米級單元排列成所需的結構或幾何形狀，可以將超材料的折射率調整為正值、接近零值或負值。
負折射
超材料最受歡迎的特性之一是光和其他輻射的負折射率。負折射基於蘇格蘭物理學家詹姆斯·麥克斯韋1861年提出的方程。
所有已知的天然材料都具有正折射率，因此從一種介質到另一種介質的光在傳播方向上會稍微彎曲。例如，標準條件下的空氣指數在自然界中是最低的，僅在1以上徘徊。水的指數是1.33。鑽石的平均值約為2.4。材質的折射率越高，其對原始路徑的光的扭曲程度就越大。
然而，在一些超材料中，會發生負折射，使得光線和其他輻射在進入結構時向後彎曲。
早在20世紀中葉，人們就預測存在負折射率物質。1976年，蘇聯物理學家V.G.Veselago發表了一篇文章，從理論上描述了它們的性質，包括一種不同尋常的光折射。術語超材料羅傑·沃爾瑟在1999年提出了對這類物質的建議。
但直到21世紀初，研究人員才發現如何製造任何類型的材料，以實現負折射。第一批超材料樣品是由細導線陣列製成的，僅在微波輻射下工作。
有了這種負折射材料，許多應用在電子製造、光刻、生物醫學、絕緣塗層、熱傳遞、空間應用中成為可能，也許還有光學計算和能量收集的新方法。
什麼是超表麵？
超材料的迷人功能通常需要多層材料層，這不僅會導致大量損耗，而且會給納米製造帶來很多挑戰。許多超材料由複雜的金屬絲和其他結構組成，需要複雜的製造技術，並且難以組裝。
不尋常的光學效應並不一定意味著使用體積（3D）超材料。你也可以借助二維（2D）結構——所謂的超表麵（或平麵光學）來操縱光線。
超表麵是由單個元素組成的薄膜，最初是為了克服超材料麵臨的障礙而開發的。
超表麵的工作原理是基於衍射現象。任何平坦的周期性陣列都可以被視為衍射晶格，它將入射光分裂成幾束光線。光線的數量和方向取決於幾何參數：入射角、波長和晶格周期。
亞波長單元的結構反過來決定了入射光的能量在光線之間的分布。對於負折射率，有必要抑製除一條之外的所有衍射光線，然後所有入射光都將指向所需的方向。
到目前為止，大多數製造的超表麵都是消極的，這意味著它們不能在製造後進行調整。相反忙碌的超表麵允許在外部刺激下動態控製其光學特性。它們可能在自由空間光通信、全息顯示和深度傳感等應用中很有用。
超材料讓我們做了什麼以前做不到的事情？
超材料提供了精確控製材料中光的路徑的潛力。這使得傳統上笨重的光學係統可以轉變成極小的形狀。超材料還可以定製，以支持現有光學硬件目前無法訪問的新特性，從而產生全新的光學係統。
傳統材料根據材料的特性與電磁輻射（如光或無線電波）相互作用。我們習慣於玻璃如何折射光線，或者黃金如何反射光線。在我們每天遇到這些物體時，我們知道會發生什麼，因為這些材料通常沒有什麼特別之處。
例如，你希望黃金都是閃亮的淡黃色。但是當你用納米結構改變金的表麵時，這會改變光在接觸金表麵時的行為，也會改變我們對它的看法。這些納米結構將金從傳統材料轉變為超材料。
雖然黃金的化學性質沒有改變，但我們現在可以看到它是藍色或紅色。
你可以對可見光譜之外的電磁波或聲波進行同樣的改變。
這些設計材料的工作原理是以新的、不同的方式彎曲電磁輻射路徑——不僅從可見光，而且從無線電波到高能伽馬射線。
超材料的應用
光學偽裝和隱身鬥篷
超材料如何彎曲電磁輻射路徑（即折射）驅動了它們的特殊應用。例如，超材料隱身鬥篷會彎曲被隱身物體周圍的光波路徑，在途中加速光波，並在另一側重新聚集光波。因此，旁觀者可以看到物體背後的東西，而物體本身是看不見的。
光學偽裝（例如隱形鬥篷裝置）是一種技術，通過使入射光避開物體，繞著物體流動，並恢複其原始軌跡，從而使物體看起來不可見。
由於超材料研究的最新進展，這種複雜的光操縱可能是現實的。迄今為止，一些研究機構利用超材料的特殊光學特性和變換光學技術，對隱身偽裝裝置進行了理論和實驗研究。
使用變換光學設計的光學偽裝裝置有一個封閉區域，從各個方向入射的光都可以避開。因此，外部旁觀者似乎看不到隱藏在該地區的人。
然而，沒有光線可以進入隱形區域，因此隱藏在其中的人無法看到外麵。這對實際使用來說很不方便。一個實用的偽裝裝置必須具有單向透明性，以便從外麵看不到裏麵的人，但可以看到外麵的人。
改進的太陽能電池
一種超材料可以進行調整，以更好地匹配太陽光譜，從而開發寬帶廣角超材料，增強太陽能電池中的光收集。具有廣角響應的超材料可以接受來自不同角度的光。就太陽能電池而言，這意味著更多的光收集和更少的反射或“浪費”光。
超級透鏡
一個特別有趣的超材料應用是超級透鏡，這是一種可能提供比任何現有技術都低的光放大率的設備。
自2000年提出“超級透鏡”的概念以來，該概念在成像和光刻領域引起了極大的研究興趣（參見Pendry在年發表的原始論文）身體檢查信件:“負折射是完美的透鏡”).
超級透鏡可以看到比普通可見光光學透鏡所允許的大約200納米小得多的物體。傳統光學成像方法的理論分辨率極限（衍射極限）是推動高分辨率掃描探針技術發展的主要因素。盡管掃描電子顯微鏡可以捕捉到更小的物體，甚至是單個納米範圍內的物體，但它們價格昂貴、重量沉重，而且在一張大桌子的大小上，不太便於攜帶。
超透鏡的概念依賴於表麵等離子體激元的產生，增強倏逝場，以恢複源對象傅裏葉分解的近場分量，從而打破衍射極限。
由於超透鏡已經證明了亞擴散極限成像的能力，它們被認為是潛在的納米光刻技術的一種有前途的技術。superlens光刻技術已經能夠證明所需的亞衍射極限分辨率和高對比度性能，以實現經濟高效和高通量的納米圖形大規模生產(納米字母,“通過銀超透鏡的高縱橫比亞擴散極限光刻”).
由於這些金屬透鏡是超薄、平坦的表麵，它們已經引起了極大的關注，因為它們可以克服傳統笨重、彎曲和重型光學透鏡的局限性，並準備徹底改變從顯微鏡到相機、傳感器和顯示器的方方麵麵（閱讀更多：可打印納米複合材料克服了Metalense的製造限製").
聲學超材料
聲學超材料可用於許多應用。大型版本可用於將聲音定向或聚焦到特定位置，並形成音頻熱點。小得多的版本可用於聚焦高強度超聲波，以摧毀身體深處的腫瘤。在這裏，超材料層可以定製為適合患者的身體，並調整為將超聲波聚焦在最需要的地方。
研究人員已經製造出一種超材料透鏡，可以以極高的精度聚焦無線電波。凹麵透鏡表現出一種叫做負折射的特性，即彎曲電磁波——在本例中是無線電波——與普通凹麵透鏡的工作原理完全相反。
凹透鏡通常像車輪的輻條一樣輻射無線電波。然而，在這種新型超材料透鏡中，無線電波會聚在一起，聚焦於一個單一的、精確的點——這是一種無法在自然材料中複製的特性。
該設備重量不到一磅，可用於將無線電波精確聚焦在分子上，以生成高分辨率圖像——目前使用體積大、重量重、價格昂貴的透鏡生成的圖像。這種輕巧的設備也可以安裝在衛星上，在你不想使用大鏡頭的太空中拍攝恒星和其他天體的圖像。
與可用於操縱雷達、聲音和光等波現象的超材料類似，超材料還能夠控製環境聲音和結構振動，這些聲音和結構振動具有相似的波形。
精細形狀的聲場用於醫學成像和治療，以及廣泛的消費產品，如音頻聚光燈和超聲波觸覺。
具有負模量或負密度的材料可以通過局部共振在結構內捕捉聲音或振動，從而使其無法通過結構傳遞；它們還可以降低聲音的速度，這意味著傳入的聲波可以轉換成任何所需的聲場。
研究人員還開發了一種超材料，它能以異常強勁的方式沿邊緣傳輸聲音，並將聲音定位在角落(天然材料,“觀察受廣義手征對稱性保護的高階拓撲聲態”)這種獨特的特性可能會改進使用聲波的技術，如聲納和超聲波設備，使它們更能抵抗缺陷。