什么是超材料？六类超材料介绍

2017-06-02  点击：[3294]

“超材料（metamaterial）”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料  。“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构  。

超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地  。典型的“超材料”有：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”  、“金属水”。

六类超材料

1、自我修复材料——仿生塑料

伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝  。

2、热电材料

一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热点发电机，它可被直接插入普通发电机的排气管，从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料，名为黝铜矿，据称可达到5-10%的能效  。科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿，一种含钴的矿物  。

热电材料目前已经开始了小规模的应用——比如在太空飞船上——但方钴矿具备廉价和能效高的特点，可以用来包裹汽车、冰箱或任何机器的排气管  。

3、钙钛矿

除晶体硅外，钙钛矿也可可用来制作太阳能电池的替代材料[  。在2009年，使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率。到了2014年，这一数字已经提升到了19.3%。相比传统晶体硅电池超过20%的能效。科学家认为，这种材料的性能依然有提升的可能  。

钙钛矿是由特定晶体结构所定义的一种材料类别，它们可以包含任意数量的元素，用在太阳能电池当中的一般是铅和锡。相比晶体硅，这些原材料要便宜得多，且能被喷涂在玻璃上，无需在清洁的房间当中精心组装  。

4、气凝胶

气凝胶可由任意数量的物质所制成，包括二氧化硅、金属氧化物和石墨烯。由于空气占了绝大部分比重，气凝胶还是一种绝佳的绝缘体。它的结构也赋予其超高的强韧性  。

NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶，作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料  。

5、Stanene——导电率100%的材料

和石墨烯一样，Stanene也是一种由单原子层所制作的材料。但由于使用了锡原子而非碳原子，这使其具备了石墨烯所无法实现的特性：100%的导电率  。

Stanene在2013年由斯坦福大学张首晟教授首次进行了理论化。预测Stanene这类材料的电子属性是张教授的实验室所擅长的领域之一，根据他们的模型，Stanene是一种拓扑绝缘体，也就是说，它的边缘是导体，而内部是绝缘体。这样一来，Stanene就能在室温下以零阻力导电  。

6、光操纵材料

光操纵超材料的纳米结构能够以特定的方式对光线进行散射，它或许真的可以让物体隐形。根据制作方式和材料的不同，超材料还能散射微波、无线电波、和不太为人所知的T射线。实际上，任何一种电磁频谱都能被超材料所控制  。

来源：中国复合材料学会。编辑： 明轩。