论坛:详解美国新型隐身衣材料:金属制成易破碎

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2008年08月15日11:01  来源:人民网科技论坛

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  图上显示的是一个图表和由加州大学伯克利分校的研究人员开发的超材料的两个扫描电子显微镜图像——顶视图和侧视图。这种材料是由内嵌在多孔氧化铝内的平行纳米线组成。当可见光通过这种材料时,光线发生众所周知的负折射现象,运行方向向后偏转。

  


  左侧是第一个能在光频段获得负折射率的3D“渔网”超材料图解视图。右侧是一个装配式结构的扫描电子显微镜图像,这个装配式结构是由加州大学伯克利分校的研究人员研发的。交替层形成的小电路能向后弯转光线的方向。


  据物理学家组织网报道,美国加州大学伯克利分校的科学家第一次设计出能逆转可见光和近红外光的传播方向的3D材料,这项新发明将不仅能给人们带来科幻享受,用这种材料制成隐身,让物体在人眼前隐形,还将有助于高清晰光学图像的成像基础研究,并有助于制造用于高性能电脑的超小型集成电路。

  弯曲物体周围的光波

  有关超材料(将材料与特殊能力结合,以改变电磁波的运行方向)发展的两个重大突破,发表在8月13日出版的《自然》杂志和8月15日出版《科学》杂志上。

  新研制的超材料具有改变光线的传播方向能力,光线在这种材料中会出现“负折射”。这种材料能像围绕一块岩石流淌的河水那样,完全弯曲物体周围的光波,从而实现“隐形”的效果。

  与之相比,在自然界发现的所有材料都具有一个正折射率(positive refractive index),这是用来衡量电磁波从一种媒介进入另一种媒介时,光线被弯曲的程度的一种方法。在一张说明折射过程的著名插图中,插入水里的木棒被水淹没的部分,看起来似乎向水面方向弯曲了。如果水显示出负折射,木棒被水淹没的部分将看起来似乎是从水面伸出来。这方面的另一个例子是,如果水存在负折射,在水下泳来游去的鱼看起来将像在水面以上的空中移动。

  实际应用取得重大进步

  此前,也有其他科研小组制成了具有光频段功能的超材料,但是那些2D材料仅限于单层人造微粒的使用,它的光弯曲能力不太精确。据以前的报告显示,具有负折射能力且更厚的3D超材料仅存在于波长更长的微波范围内。

  加州大学伯克利分校纳米科学技术中心的张翔(音)领导这个科研组研发了两种新超材料,他说:“我们一直在做的是,采用两种截然不同的方法,努力制造出能在可见光频段表现出负折射的超材料。这两种方法都让我们在发展超材料的实际应用方面向前迈进了一大步。” 纳米科学技术中心由国家科学基金会(NSF)资助。张还是加州大学伯克利分校的劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的一名科学家。

  人类通过范围非常狭窄的电磁辐射,即已知的可见光观看世界。可见光的波长范围从400纳米(紫罗兰和紫光)到700纳米(深红光)。红外光波长更长,范围从大约750纳米到1毫米。人类的头发直径大约是10万纳米。对一种获得负折射能力的超材料来说,它的结构数组必须比人类利用的电磁波更小。人们在更长的微波范围内熟练控制波长已经取得更多成功,但是这并不令人感到吃惊。这种波长的范围从1毫米直到30厘米不等。

  利用交替层堆叠制成超材料

  在《自然》杂志的论文中,加州大学伯克利分校的研究人员将银和不传导的氟化镁交替层堆叠在一起,并在层层之间挖出纳米大小的渔网图样,制成一块光学超材料。科学家在波长最大不超过1500纳米的波长范围内,即已知得近红外线范围内,测量出负折射率。加州大学伯克利分校的研究生和将在《自然》杂志上发表的论文的联合作者詹森·瓦伦丁解释说,每个操作或非操作层都将形成一个电流环路。将交替层堆垒在一起,产生了一系列环路,这些环路被用来抵御将要靠近的光线产生的磁场。

  瓦伦丁还说,两种材料在光线经过时吸收或“丧失”的能量降至最小时,它们将获得负折射能力。就《自然》杂志中形容的“渔网”材料来说,相互作用强烈的超小型集成电路允许光通过这种材料,并在通过金属层时损耗较少能量。瓦伦丁说:“自然材料不会对光磁场产生反应,但是我们制造的这种超材料却能。这是第一个能称作具有光学磁性的材料。因此材料内的光波中的电和磁场会向后运动。”

  《科学》杂志中描述的那种超材料,采用另一种达到向后弯曲光线方向的方法。这种超材料是由嵌在多孔氧化铝内的银纳米导线组成。尽管这个结构比一张纸大约薄10倍,一个无法控制的喷嚏就能将它吹走,但是它被认为是一个超材料,因为它的大小超过光波长的10倍。发表在《科学》杂志上的论文作者从波长不超过660纳米的红光观察到负折射现象。这是第一个证明能逆转可见光的方向的方法。

  加州大学伯克利分校应用科学和技术毕业项目的学生姚杰,也是发表在《科学》杂志上的论文作者,他说:“这种纵向纳米线路的几何结构经过特殊设计,只对光波中的电场作出反应。这些纵向纳米线路之间的距离相等,彼此相互平行。磁场在振动时与光波中的电场呈直角。磁场不理会垂直纳米线路非常必要,这个特点对降低能耗极其重要。”研究人员表示,这种纳米线路材料的新方法是,它发现了一种在超材料不具备负折射率的情况下,能向后弯曲光线方向的方法,对电容率(传播电场的能力)和磁导率(对磁场做出怎样的反应)来说,两者都是负的尤其重要。

  拥有负折射率的好处

  像发表在《自然》杂志上的论文中描述的渔网超材料获得负折射率那样,拥有真正的负折射率的好处是,它能通过减少干扰,极大地提高天线的性能。负指数材料还能逆转多普勒效应,以便在靠近时频率能够降低,而不是增加。多普勒效应是利用警方雷达枪监控过往车辆的车速的现象。但是这些研究人员说,对纳米光学图像或隐身衣等超材料的大部分应用途径来说,纳米线路和渔网超材料都有可能扮演重要角色。

  张翔表示:“这些材料凸显出来的原因是,它们都能在较广的光波长光谱范围内产生作用,而且损失的能量较少。我们还通过抛弃以前以共振物理学为基础的设计,展开了一种研发超材料的新方法。以前处于光频范围的超材料必须以特定震动频率产生共振,以产生负折射,这个过程会吸收很多能量。而共振不是上述纳米线路和渔网超材料的组成元素。”

  新材料易破碎 实际应用还很遥远

  这些研究人员在热烈欢迎这些处于可见光波长范围内的超材料的形成方法的同时,他们还警告说,它们距离隐身衣和其他应用还很遥远。例如,这种超材料不像著名小说《哈利·波特》中制造的隐身衣,这种超材料由金属构成,非常容易破碎。他们表示,形成一种能大规模生产这种材料的方法,也是一个巨大挑战。不过这些研究人员表示,大块超材料在可见光波长范围内获得负折射,是探索这种隐形装置的过程中的一个重要转折点。(秋凌)

  原文地址:http://bbs.people.com.cn/postDetail.do?id=87847998

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(责任编辑:田端(实习))
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