科學家研發第一個三維超材料 前景無限

鳳凰科技訊 北京時間1月1日消息，據科學日報報道，當涉及轉移和控制波，尤其是聲波和光波時，超材料具有非凡的特性：例如它們可以讓物體隱形，或者增加鏡頭的分辨能力。法國國家科學研究中心（CNRS）和法國波爾多國立高等化學物理學院(CNRS/波爾多大學/國立波爾多綜合技術學院/法國國立工程技術大學校)的研究人員通過結合物理化學組成和微流體技術，研發了第一個三維超材料。這是更容易塑性的新一代柔軟超材料。在他們的實驗里，研究人員實現了超聲波振蕩向后移動，而聲波攜帶的能量向前移動。這項研究開啟了新的前景，尤其對于高分辨率成像而言。這項研究被發表在12月15日的期刊《自然材料》上。

第一個三維超材料

自21世紀初以來，國際科學界對超材料以及它們無與倫比的特性的興趣呈指數上升。超材料是一種其中聲波或者光波的相位速度可以為負（也即材料具有負折射率）的媒介。在這樣的媒介里，波（連續振蕩）的相位和波攜帶的能量的移動方向是相反的。這一特性并未被發現出現在任何天然的均勻介質里。

為了獲得超材料，獲得包含大量內含物（也就是微共振器）的均勻介質是必須的。常規方法是利用微機械方法（蝕刻、沉積等）以機械加工一維或者二維具有超材料特性的載體。然而，這一方法無法應用于超聲波所需要的微米級別的柔軟物質，且目前獲得的超材料只限于一維或者二維。

在最新這項研究里，研究人員發明了一種流體相的新超材料，它形成于嵌入基于水的凝膠的多孔硅微粒。這種超常流體是第一個能夠以超聲波頻率工作的三維超材料。此外，由于它的流體特性，它還可以利用物理化學過程和微流體技術實現，這比微機械方法要更容易實施。

多孔介質的特性之一便是，與水相比（速度為每秒1500米），聲波以非常慢的速度穿過它們（每秒十多米）。由于這種鮮明的對比，只要液滴濃度充足，整個懸浮都具有超材料的特性。當研究人員研究超聲波穿過這種介質的傳播時，他們直接測量到負的折射率。在這樣的超常流體里，波攜帶的能量從發射端傳遞給接收端，這與預計的并無出入，然而振蕩似乎是以相反的方向向后移動，就像舞者跳著月球漫步的舞步一樣。

這些結果開啟了大量應用的可能性，從高分辨率超聲波成像到聲音絕緣和水下秘密聲學。此外，制造這種超材料的軟物質物理-化學技術使得潛在的工業規模制造具有可修改形狀的流體或者靈活材料變為可能。（編譯/嚴炎劉星）