Liam Critchley 寫(xiě)道，復(fù)合材料可以為電子設(shè)備帶來(lái)獨(dú)特的性能，以提高聲學(xué)、熱或電磁性能。

超材料是由至少兩種不同材料組成的人造復(fù)合材料。它們擁有大量微小的材料結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)被排列成 3D 結(jié)構(gòu)。這些單獨(dú)的結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)都被稱為“超原子”，并具有天然材料中沒(méi)有的特性，包括控制電磁波的能力。

電磁波的彎曲通常相對(duì)于入射方向呈正方向。這稱為正折射率。然而，超材料的主要特征是它們具有負(fù)折射率。超原子比電磁波長(zhǎng)小，因此它們會(huì)導(dǎo)致穿過(guò)它們的任何電磁波發(fā)生負(fù)彎曲。這是超材料所獨(dú)有的。

超材料分類

超材料通常分為兩種類型。第一種是控制波傳播的波超材料，第二種是控制擴(kuò)散過(guò)程的擴(kuò)散超材料（圖1）。

圖1：不同類型超材料的圖形表示

超材料可以在一系列應(yīng)用中控制不同的電磁波，例如聲波或光波。眾所周知，超材料具有一系列特性，包括控制電磁輻射方向的能力。它們具有獨(dú)特的特性，例如負(fù)折射率，但也具有電磁隱蔽以及負(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率特性。

電子設(shè)備中的超材料

熱超材料可以為電子設(shè)計(jì)帶來(lái)很多好處。電子元件很容易被高溫?fù)p壞，而納米電子學(xué)、3D集成電路和柔性電子學(xué)的出現(xiàn)使得這些復(fù)雜架構(gòu)中的熱管理變得困難。

它們可用于改善散熱、提供熱屏蔽和減少電子設(shè)備中的熱串?dāng)_，以及反射光線并防止來(lái)自外部來(lái)源的設(shè)備溫度升高——對(duì)于暴露于更強(qiáng)電磁波的航空航天、衛(wèi)星和空間技術(shù)非常有用。

熱超材料也被用于熱電設(shè)備，將車(chē)輛和設(shè)備發(fā)出的廢熱能（紅外波）轉(zhuǎn)化為電能。

復(fù)旦大學(xué)物理系黃繼平教授表示：“熱超材料主要有三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，”熱超材料可用于紅外輻射的熱保護(hù);熱斗篷、集中器和旋轉(zhuǎn)器可用于更高級(jí)的熱管理;輻射冷卻膜可用于無(wú)能耗冷卻。（見(jiàn)圖 2)

圖2：用熱超材料構(gòu)建的熱斗篷集中器裝置的描繪[來(lái)源：黃吉平]

黃繼平表示，熱材料可以從許多領(lǐng)域中受益，例如“能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、汽車(chē)熱管理系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱發(fā)電，并且正在研究將熱超材料用于熱傳感器、二極管和零能耗絕緣”。

熱超材料的設(shè)計(jì)在很大程度上依賴于熱學(xué)（物理學(xué)的子領(lǐng)域，即熱的科學(xué)研究）。黃繼平表示：“熱超材料的獨(dú)特性能源自傳統(tǒng)的變化熱學(xué)，并依賴于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和各向異性材料性能。

這就是為什么超材料的特性是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樘烊徊牧贤蔷鶆蚝透飨蛲缘摹?/p>

然而，設(shè)計(jì)熱超材料并不簡(jiǎn)單。黃吉平還指出，“傳統(tǒng)的熱器件制造技術(shù)通常與特定的幾何形狀和層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，這限制了它們?cè)谥圃鞆?fù)雜或不規(guī)則形狀（例如超材料）方面的靈活性”。

黃繼平接著說(shuō)，“數(shù)值優(yōu)化、深度學(xué)習(xí)和拓?fù)鋬?yōu)化方法增強(qiáng)了熱超材料器件的性能和適應(yīng)性，而共形變換理論減少了超材料設(shè)計(jì)中的幾何約束”。

已經(jīng)有商業(yè)化超材料系統(tǒng)投入使用，但黃吉平認(rèn)為，“熱超材料的未來(lái)設(shè)計(jì)有望變得更加智能和高效。隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的快速進(jìn)步，設(shè)計(jì)過(guò)程將變得越來(lái)越自動(dòng)化和智能，從而可以創(chuàng)建能夠?qū)⒍喾N熱功能集成到同一設(shè)備中的非線性設(shè)計(jì)。

“這是對(duì)熱超材料與其他類型的超材料集成的補(bǔ)充，其中每種材料都實(shí)現(xiàn)了多功能性?！?/p>

人們認(rèn)為，隨著超材料生產(chǎn)工業(yè)化的加速，熱超材料將很快用于電子、能源和醫(yī)療保健領(lǐng)域。

聲學(xué)超材料

聲學(xué)超材料使用聲子晶體來(lái)控制、縱和引導(dǎo)聲波（聲子）。聲學(xué)超材料具有各向異性質(zhì)量和負(fù)密度，用于減振、成像、醫(yī)學(xué)超聲波、反聲納技術(shù)和無(wú)線電力傳輸。聲子還負(fù)責(zé)固體中的熱傳導(dǎo)，因此可以設(shè)計(jì)聲學(xué)超材料來(lái)控制電子系統(tǒng)中的熱傳遞。

圖3：柔性超材料的不同應(yīng)用領(lǐng)域顯示了不同的應(yīng)用途徑

有源聲學(xué)超材料提供了對(duì)聲波的一定程度的控制，超出了無(wú)源設(shè)備的能力，并且可以動(dòng)態(tài)重新配置，并且可以補(bǔ)償波強(qiáng)度的任何損失。

有些應(yīng)用超出了電子設(shè)計(jì)的范圍，但聲學(xué)超材料可以設(shè)計(jì)為捕獲或傳輸特定頻率的聲波。以這種方式使用超材料可以幫助為一系列技術(shù)（例如樂(lè)器和先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像）設(shè)計(jì)更先進(jìn)的聲學(xué)諧振器。聲學(xué)超材料還可以精確控制聲場(chǎng)的變形，并用于隱藏或隱藏物體免受聲波的影響。

電磁超材料

超材料可以在單個(gè)設(shè)備中控制電磁頻譜上的一系列電磁波，從而使超材料變得可編程。每個(gè)元原子都可以縱不同的電磁波來(lái)構(gòu)建具有多種電磁功能的設(shè)備。每個(gè)超原子都可以控制一定的波長(zhǎng)，并且可以通過(guò)先進(jìn)的軟件控制功能。

開(kāi)發(fā)中

正在開(kāi)發(fā)可編程超材料，它可以自主適應(yīng)其環(huán)境并與系統(tǒng)中的其他超材料進(jìn)行通信，以構(gòu)建可以提供傳感、成像或通信功能的先進(jìn)設(shè)備。一些應(yīng)用示例包括醫(yī)學(xué)成像和無(wú)線通信。

開(kāi)發(fā)可編程超材料的方法有很多種，但一種常見(jiàn)的方法是構(gòu)建模仿 FPGA 的系統(tǒng)?？删幊坛牧厦媾R的挑戰(zhàn)是創(chuàng)建一種具有刷新率的設(shè)備，該設(shè)備可以在高頻環(huán)境（例如太赫茲波）中實(shí)時(shí)改變超材料的特性。應(yīng)用之間的刷新率各不相同，但通常在 KHz 到 MHz 范圍內(nèi)。

靈活是未來(lái)嗎？

隨著靈活和更小的電子設(shè)備變得越來(lái)越普遍，超材料設(shè)計(jì)也必須彎曲、拉伸和滾動(dòng)才能用于下一代設(shè)備。這是通過(guò)將超材料摻入柔性基材（例如低表面能聚合物）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在超材料設(shè)計(jì)中引入靈活性也為制造用于遙感、成像和光學(xué)諧振器設(shè)備的透明超材料打開(kāi)了大門(mén)。

華中科技大學(xué)智能制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任黃永安教授告訴《電子周刊》，“柔性超材料可用于增強(qiáng)現(xiàn)有的柔性電子產(chǎn)品，用于可穿戴電子、表皮電子、植入電子、軟機(jī)器人和飛機(jī)智能皮膚。用傳統(tǒng)策略改進(jìn)柔性電子產(chǎn)品變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性，但超材料正在開(kāi)辟新天地。

黃永安還指出，根據(jù)體積較大的超材料的分類，可以制造多種類型的柔性超材料，包括“柔性機(jī)械超材料、柔性光學(xué)超材料和柔性聲學(xué)超材料，它們的用途可能跨越有趣的應(yīng)用領(lǐng)域，如聲學(xué)超透鏡、隱形斗篷、電子皮膚和電子眼”。

開(kāi)發(fā)柔性超材料有許多設(shè)計(jì)考慮因素，這些超材料圍繞啟發(fā)式設(shè)計(jì)（基于以前的經(jīng)驗(yàn)）和理性設(shè)計(jì)（基于目標(biāo)屬性）展開(kāi)。關(guān)于啟發(fā)式設(shè)計(jì)，黃永安說(shuō)：“生物靈感已被證明是開(kāi)發(fā)新型超材料的強(qiáng)大而有效的。理性設(shè)計(jì)圍繞拓?fù)鋬?yōu)化展開(kāi)，“拓?fù)鋬?yōu)化優(yōu)化在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，它主要用于設(shè)計(jì)過(guò)程的概念層面。啟發(fā)式和理性設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的混合方法有望成為一種有前途的方法。

柔性超材料的成熟不如塊狀超材料成熟。黃永安告訴《電子周刊》，“該領(lǐng)域許多已展示的功能和器件原型仍處于非常初步階段，大多僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，或者有時(shí)只是在理想假設(shè)下實(shí)現(xiàn)理論性能，而不考慮實(shí)際應(yīng)用。許多可用的制造技術(shù)——3D 打印、激光切割、雙光子光刻——仍處于開(kāi)發(fā)柔性超材料的早期階段，但結(jié)合自上而下和自下而上的技術(shù)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更小規(guī)模的超材料。

雖然該領(lǐng)域還相對(duì)較新，但黃永安總結(jié)道：“如果目前柔性超材料設(shè)計(jì)/器件集成研究的增長(zhǎng)趨勢(shì)持續(xù)下去，我們相信該領(lǐng)域見(jiàn)證工業(yè)興趣近乎爆炸式增長(zhǎng)并非不可想象。世界是彎曲的、動(dòng)態(tài)的和多變的，但我們的工業(yè)文明是建立在扁平的技術(shù)基礎(chǔ)上的，但超材料開(kāi)辟了一個(gè)全新的方向，可以隨意設(shè)計(jì)材料的能力。

事實(shí)檔案

* 超材料正在為從醫(yī)療到汽車(chē)和航空航天工業(yè)等一系列行業(yè)開(kāi)發(fā)。

* 用途包括天線的生物傳感器、能量收集器、濾光片、智能電源管理設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備、智能電源管理和屏蔽設(shè)備。

* 超材料和超表面相似，都包含超原子，但超表面是 2D 的，而超材料是 3D。

* 超材料可以編程;它們?cè)趩蝹€(gè)設(shè)備中控制電磁頻譜上的一系列電磁波。