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“超材料(metamaterials)”:超越天然材料的自然极限(7)

已有 9154 次阅读 2007-9-25 16:16 |个人分类:材料科学

7、材料科学家的梦想:回归材料

    物理学家提出了超材料,试图通过理论推测和巧妙而复杂的结构设计来获得天然结构所不具备的性质。但对于材料科学家来说,他们更希望能够在常规材料中去寻找超常特性。我们的另一部分研究工作就集中于后者。

    事实表明,常规或天然材料中具有超材料的部分性质是可能的。例如,一种产于澳洲,被称为澳宝(opal的音译)宝石(天然蛋白石)就具有不完全光子带隙结构,其显微结构是由二氧化硅胶体构成的胶体晶体,和我们合成的胶体晶体很相似,正是由于这种带隙的存在,这种宝石有强烈的反光,且不同角度发射出的光具有不同的颜色。此外,科学家在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛中观察到了光子带隙结构,这些结构使本来无色的生物体由于结构的发光而呈现出闪烁斑斓的色彩。

    既然大自然能够制造成复杂的光子带隙结构,其它的超材料的功能能否在天然材料中找到呢?对偏振光的简单的负折射现象也很容易从具有双折射的晶体中获得。我们都知道,光束由各向同性媒质入射到单轴晶体时,通常会发生双折射。而当偏振方向位于主截面内的光束以一定角度入射在单轴晶体(光轴与界面成某一角度)界面上时,折射光线和入射光线可能位于界面法线的同侧,即发生负折射现象。

    基于同样的原理我们利用了液晶材料的光学各向异性可以通过电场或磁场来调控的特点,提出了一种可调负折射材料,其折射率可以通过施加电场或磁场来调控,可以从正值调到负值。并通过实验获得这种性能。

    然而,上述材料的负折射机制与韦谢拉戈提出的左手材料是不同的,它是由纯粹的光学现象所导致。为此,我们也试图探索基于天然材料的真正意义上的韦谢拉戈物质。对于金属材料的负介电常数,人们并不陌生--在等离子体频率以下,呈现出负的介电常数。

    既然金属材料中能够产生负介电常数,非金属介质中是否能够产生呢?我们的研究结果是,通过介电共振,至少能够产生“表观”的负介电常数。在这种材料的基础上,我们提出了提出一种全新的、无绕线结构的感性元件设计思想--利用具有表观负电常数的陶瓷介质构成的电容结构中产生的负电容,在相对简单的结构中实现感抗功能。由于这类感抗元件不需要复杂的绕线结构,可为感性元件尺寸的进一步降低开辟出一个广阔的空间。自19世纪法拉弟发现电磁感应现象以来,感性元件被广泛应用于各类电路中,但一百多年来人们所使用的感性元件都是较为复杂的绕线式结构。该元件改变电感类元件必须通过绕线结构来实现的传统观念。另外,利用该材料与能够产生负磁导率的金属结构复合,我们也可以观察到左手材料的特征。

    同时,我们也在尝试着通过铁氧体的铁磁共振实现负的磁导率,目前也取得了一些研究进展。



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