超材料:会改写未来战争吗?

2018年9月14日   来源:环球播报

 

 

还记得小说《哈利·波特》中的“隐身斗篷”吗?或者你是否也向往能拥有变色龙一般瞬间变色的神奇皮肤?如今,借助可以“弯曲光、改变波”的超材料,这些原本听起来科幻味十足的场景或将变为现实。

 

超材料是一种根据实际应用需要,对材料关键物理尺寸进行特殊设计,最终得到不同于常规材料性质的新型材料。作为当今最热门的新兴技术之一,超材料被《科学》杂志列为引发信息技术、国防工业、新能源以及微细加工重大变革的重要科学进展,美国国防部专门启动了关于超材料的专项研究计划。未来,超材料将在智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、隐身技术等众多领域得到广泛应用。

 

    超越天然材料的新型材料

 

作为人类社会发展的物质基础,材料是国防工业和经济发展必不可少的重要内容。目前,传统高性能材料越来越依赖各类稀缺资源,人们想在自然界中找寻具有超物理特性天然材料的尝试也一直收效甚微,必须另辟蹊径探寻超越常规材料性能极限的新型材料。直到21世纪初,美国研究人员才首次在实验室中利用微波技术发现了“隐身衣”的蛛丝马迹,也由此宣告了超材料的诞生。

 

作为当今世界材料学领域的热门词汇,其中的“超”就表示“超出、另类”的意思。超材料,主要指拥有天然材料所不具备的超常属性的人工复合材料,能实现天然材料望尘莫及的弯曲、散射或传输电磁波等特殊性能。超材料的发现使人们认识到,可对现有材料通过人工构建不同“模块”,形成超越天然材料的新型材料。超材料也因此被誉为“一种由材料组成的‘材料’”。

 

事实上,研制超材料就是按照特定的规则组合,搭配出不同电磁响应属性的人工复合材料。这些材料的属性除由材料本身决定外,还与其结构的形状、尺寸、排列和组合方式等紧密相关。通过改变超材料关键位置的结构和尺寸,人们就可以像搭积木一般实现对光波、雷达波、无线电波、声波乃至地震波的任意弯曲和精细“裁减”。研究人员还借助超材料薄层能让光线绕过物体的属性,开始研究使物体无影无踪的“隐身斗篷”。

 

目前,超材料最引人关注的属性包括负折射率、逆多普勒效应、超常电磁特性以及超分辨率成像等。也正是这些独具一格的物理特性,使得超材料的应用前景覆盖了基础工业、国防军事以及经济社会发展的方方面面。以具有超常电磁特性的电磁超材料为例,目前就已经在通信、制造、隐身、探测、核磁、太阳能以及微波利用等领域产生了深远影响。

 

    光天化日之下消失于无形

 

这将会是发生在未来战场上的一幕。战斗打响后,驾驶隐形车、身披隐身衣的一方,在敌人看不到自己时却对战场态势“洞若观火”,战争胜败的天平也自然会向拥有“隐身斗篷”的一方倾斜。

 

近年来,能用作“隐身衣”的超材料得到各军事大国的竞相研发投入,力图实现战场上的“单向透明”。

 

与以往人们希望在夜空或深海中悄然藏匿所不同,超材料就是一种让任何物体在光天化日之下消失于无形的“魔法术”。目前,研究人员已经通过网格状金属合金超材料研制出一种“隐身斗篷”,能捕获、存储或操控光线。近年来,人们还制造出了纸片厚度的超材料薄片,把“隐身斗篷”穿到身上或许只是时间问题。

 

正是意识到超材料广泛的应用前景,以美国为首的西方国家相继投入巨资用于这一重要战略前沿技术研究。美国空军科学研究办公室和美国国防部高级研究计划局也相继开展超材料技术研究,美国陆军还专门研究了在特定电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身超材料。

 

英特尔、AMD和IBM等6家美国半导体公司还专门成立了资助超材料研究的联合基金,包括波音公司、洛克希德·马丁公司和BAE系统公司等军工巨头也不甘在超材料研究中掉队。据统计,美国军方共支持了超过100家企业开展超材料应用研究,领域涵盖雷达、导弹天线罩、吸波材料、电子干扰箔条、通信天线和隐身技术等。

 

除军事应用外,荷兰研究人员已经利用超材料研制出一款可编程的智能橡胶,未来人们将有望穿上根据地面软硬度自动进行调节的鞋子。法国科学家还希望通过对超材料墙壁和地面精确打孔来转移地震波,进而实现防震减灾。

 

此外,超材料还被广泛应用于生物成像、生化探测、癌症治疗等领域。电磁超材料太阳能电池将进一步提高光电转换效率,人们还研制出了一款可在任何地方连接卫星网络的电磁超材料可折叠天线。

 

    将在军事领域大显神通

 

正所谓“一代材料,一代装备”。新型材料的诞生与发展,必然会推动武器装备和作战样式出现重大变革。

 

超材料技术虽然发展时间不长,但由于可使武器装备获得压倒性的不对称战略优势,早已得到具体应用。与常规材料相比,超材料具备新奇人工结构、超常规物理属性和“按需定制”设计思路等基本特征。这些拥有巨大应用潜力和广阔发展空间的超材料,也将在未来军事应用中大显神通。美国的一些先进武器装备上就应用有超材料技术。

 

隐身一直是超材料“出镜率”最高的应用方向,主要包括声波隐身、光波隐身、电磁波隐身和触觉隐身等。2014年,美国研究人员研制出一款三维声波“隐身斗篷”。这种声波隐身装置利用超材料,使得入射声波沿“斗篷”表面传播而不发生反射或透射,未来有望应用于主动声呐对抗。此外,美国海军还开发出一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术,就是在潜艇艇壳外覆盖的静音材料中加入超材料,实现对声波传输的引导,有可能改写未来水下战场的“游戏规则”。

 

在光波隐身领域,加拿大研究人员曾研制出一款名为“量子隐身”的超材料,能通过使周围光线折射弯曲来实现隐身效果。这种隐身超材料不仅能“骗”过人的肉眼,遇到军用夜视仪、红外探测器等先进技术装备也一样可以成功“隐身”。这种光波隐身材料不仅可用于地面部队昼间突袭,还可应用于新一代隐形战机、舰艇和坦克。此外,研究人员还利用机械超材料实现了可屏蔽触觉的“隐身斗篷”,即便是用手触摸都无法感觉到突出物体的存在,或将在未来军事应用中开辟出一番新天地。

 

天线与天线罩也是超材料的另一用武之地。应用在导弹、雷达和航天器天线上的超材料,能大幅度降低天线能耗,拓展工作带宽,还将增强天线的聚焦性和方向性。美军新一代E-2“鹰眼”预警机就通过采用超材料大幅提升了雷达探测能力,美国雷神公司还专门为导弹研制了超材料天线罩,能使穿过导弹天线罩的电磁波不产生折射,进而提升导弹的打击精度。

 

此外,科研人员试图研制一种通信用超材料平面天线,在提升无人机通信性能的同时进一步减少天线数量,或将带来天线设计的划时代变革。

 

(来源:解放军报)