解釋超材料和超表麵-性質和應用
什麼是超材料，它們能做什麼?
前綴元(一個希臘語單詞，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。超材料是一類新穎的功能材料，它們是圍繞獨特的微納米級圖案或結構設計的，這使它們能夠以自然界中沒有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的微納米結構，而不是天然材料中的化學成分。其結果是，超材料結構具有傳統材料發現或化學製造技術通常無法創造的性能和能力。
超材料通常由多種由傳統材料(如金屬或非導電材料)製成的相同元素構成。想象一下一個由數百萬個單位組成的魔方，其厚度比人的頭發絲還小。
杜克大學電子與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利用人工設計和製造的結構單元來加工材料，以達到所需的性能和功能。
這些結構單元——構成超材料的人造“原子”和“分子”——可以在形狀和大小上定製，晶格常數和原子間相互作用可以人工調節，“缺陷”可以設計並放置在所需的位置。
通過工程將這些納米級單元單元排列成所需的結構或幾何形狀，可以調整超材料的折射率為正、近零或負。
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。負折射是基於1861年蘇格蘭物理學家詹姆斯·麥克斯韋提出的方程式。
所有已知的天然材料都有正的折射率，所以光從一種介質穿過到另一種介質時，在傳播方向上會有輕微的彎曲。例如，在標準條件下，空氣的指數在自然界中是最低的，僅略高於1。水的指數是1.33。鑽石的直徑約為2.4。一種材料的折射率越高，它對光線的扭曲就越大。
然而，在某些超材料中，會發生負折射，使得光和其他輻射在進入結構時向後彎曲。
早在20世紀中葉，人們就預言了具有負折射率的物質的存在。1976年，蘇聯物理學家V.G.維塞拉戈發表了一篇文章，從理論上描述了它們的特性，包括光的不尋常折射。這個詞超材料是Roger Walser在1999年提出的
但直到21世紀初，研究人員才想出了如何創造任何類型的材料，可以實現負折射。超材料的第一個樣品是由細電線陣列製成的，而且隻在微波輻射下工作。
有了這種負折射材料，在電子製造、光刻、生物醫藥、絕緣塗料、傳熱、空間應用，也許還有光學計算和能量收集的新方法方麵的許多應用成為可能。
metasurfaces是什麼?
超材料的迷人功能通常需要多個材料層的堆疊，這不僅導致了廣泛的損耗，也給納米製造帶來了許多挑戰。許多超材料由複雜的金屬絲和其他結構組成，這些結構需要複雜的製造技術，而且很難組裝。
不尋常的光學效果不一定意味著使用體積(3D)超材料。你還可以借助二維(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所麵臨的障礙而開發的。
超表麵的工作原理是基於衍射現象。任何平麵周期陣列都可以看作是衍射晶格，它將入射光分割成幾條射線。射線的數量和方向取決於幾何參數:入射角、波長和晶格周期。
反過來，亞波長單元的結構決定了入射光的能量如何在射線之間分布。對於負折射率，必須抑製除一條衍射射線外的所有射線，然後所有入射光將被定向到所需的方向。
到目前為止，大多數合成的超表麵是被動這意味著它們不能在製造後進行調整。相比之下,活躍的超表麵允許在外界刺激下對其光學特性進行動態控製。它們可以在從自由空間光通信到全息顯示和深度傳感等應用領域發揮作用。
超材料能讓我們做什麼以前做不到的事?
超材料提供了精確控製光在材料中的路徑的潛力。這使得傳統的笨重的光學係統可以轉化為極小的外形。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，從而形成全新的光學係統。
基於材料的特性，傳統材料與光或無線電波等電磁輻射相互作用。我們已經習慣了玻璃如何彎曲光線或黃金如何反射光。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什麼特別的。
例如，你認為黃金是閃亮的，泛黃的。但是當你用納米級結構改變黃金的表麵時，當光照射到黃金表麵時的表現就會改變，這也就改變了我們看到它的方式。這些納米結構將金從傳統材料變成了超材料。
雖然黃金的化學性質沒有任何變化，但我們現在可以看到它是藍色或紅色的。
你可以對可見光譜以外的電磁波或聲波做同樣的改變。
這些設計材料的工作原理是以全新而不同的方式彎曲電磁輻射的路徑——不僅是從可見光，還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的路徑(即折射)驅動了它們獨特的應用。例如，一件超材料隱身鬥篷可以彎曲物體周圍的光波路徑，在前進過程中加速光波，並在另一邊將光波重新聚合。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(如隱身裝置)是一種技術，通過使入射光避開物體，繞著物體流動，然後不受幹擾地回到原來的軌跡，使物體看起來不可見。
由於最近超材料研究的進展，這種複雜的光操縱可能會成為現實。目前已有多家研究機構利用超材料的非凡光學特性和變換光學技術，對隱身偽裝器件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能避開。因此，一個藏在這個區域的人對外界的旁觀者來說似乎是看不見的。
然而，沒有光可以進入被遮蔽的區域，因此躲在裏麵的人不能看到外麵。這對於實際使用是相當不方便的。一個實用的偽裝裝置必須具有單向透明，這樣一個人在裏麵不能從外麵看到，但可以看到外麵。
提高太陽能電池
一種超材料可以被調整到更好地匹配太陽光譜，允許開發寬帶廣角超材料，可以增強太陽能電池的光收集。具有廣角響應的超材料可以接受來自廣泛角度的光。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。
完美透鏡
一個特別有趣的超材料應用是完美透鏡這種設備可以提供比現有任何技術都要高的光放大能力。
自2000年“超級透鏡”的概念被提出以來，“超級透鏡”的概念在成像和光刻領域吸引了大量的研究興趣物理評論快報：“負折射造就完美鏡頭”)．
超級透鏡可以觀察比普通可見光光學透鏡所允許的約200納米小得多的物體。這種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。雖然掃描電子顯微鏡可以捕捉到小得多的物體，精確到單納米範圍，但它們既貴又重，而且在一張大桌子的尺寸下，不太容易攜帶。
超透鏡的概念依賴於產生表麵等離子體激元增強倏逝場來恢複源物體傅立葉分解的近場分量，從而打破衍射極限。
由於超透鏡已經證明了亞衍射極限成像的能力，它們被認為是潛在的納米光刻技術的一種有前途的技術。目前，超透鏡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，這是高成本和高通量納米製模量產(納米快報，銀超透鏡的高縱橫次衍射極限光刻)．
由於超構透鏡是超薄的平麵，它們吸引了巨大的關注，因為它們可以克服傳統的笨重、彎曲和沉重的光學透鏡的限製，而且它們有望徹底改變從顯微鏡到相機、傳感器和顯示器的一切。可打印的納米複合材料克服了超構體的製造局限性”)。
聲學超材料
聲學超材料可用於許多應用領域。大型版本可以用來引導或聚焦聲音到特定的位置，並形成一個音頻熱點。更小的版本可以用來聚焦高強度的超聲波來摧毀體內深處的腫瘤。在這裏，一種超材料層可以根據病人的身體量身定製，並調整到最需要超聲波的地方。
研究人員已經製造了一種超材料透鏡，它可以極其精確地聚焦無線電波。凹透鏡表現出一種被稱為負折射的特性，使電磁波——在這種情況下是無線電波——彎曲，這與普通凹透鏡的工作原理完全相反。
凹透鏡通常像車輪輻條一樣輻射無線電波。然而，在這種新的超材料透鏡中，無線電波彙聚，聚焦在一個單一的、精確的點上——這是在自然材料中不可能複製的特性。
該裝置重量不到一磅，可用於將無線電波精確聚焦在分子上，以產生高分辨率的圖像——目前這種圖像是用笨重、沉重和昂貴的透鏡產生的。這種輕量級的設備也可以安裝在衛星上，為太空中的恒星和其他天體成像，在那裏你不想拿出一個笨重的鏡頭。
類似於可用於操縱雷達、聲音和光等波動現象的超材料，超材料也能夠控製具有類似波形的環境聲音和結構振動。
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捕獲結構內的聲音或振動，使它們不能通過結構傳遞;它們還可以減緩聲音，這意味著傳入的聲波可以轉化為任何所需的聲場。
研究人員還開發了一種超材料，它可以沿著聲音的邊緣以異常強勁的方式傳輸聲音，並在角落將聲音定位(自然材料，廣義手性對稱保護下的高階拓撲聲態的觀測)．這種獨特的特性可能會改善使用聲波的技術，如聲納和超聲波設備，使它們更不易出現缺陷。