什么是超材料与6G智能超表面

文章目录

• 什么是超材料与6G智能超表面
• • 超材料的定义
  • 超材料的用途和前景
  • 超材料的发展历史与进展
  • • 美国南加州大学开发出新型智能声学超材料，可控制声波的传播方式
    • 英国和土耳其合作设计出模块化超材料，可用于数据加密和可逆解密
    • 美国罗彻斯特大学制备出世界上首个常温超导材料
    • 中国制备出力学性能可调节、可编程和可重构的拉胀力学超材料
    • 日本东京大学制备出超柔性自供电有机光学系统
    • 美国研究人员利用喷墨打印技术构建出一种新型超材料
    • 中国研究人员研发出可降低体表温度的超材料织物
  • 超材料与3D打印
  • • 3D打印超材料进展
  • 智能超表面
  • 续

超材料的定义

根据Mikhail Lapine、Sergei Tretyakov、Levent Sevgi和Ari Sihvola等对超材料的讨论，超材料可以被定义为是一种能实现异常电磁特性的新型材料，具体来讲它是由人工结构单元排列组成的一种有效均质材料。由于与传统的天然材料相比，它具有超越常规的物理性能，因此被命名为“超材料”。超材料做为一种新型人工电磁微结构材料，它的“新”并不是指字面意义上一种全新的材料形态，而是一种全新的利用常规材料组合设计的创新理念。目前可以通过化学或者物理等手段，从纳米、微米到毫米、厘米等各个维度的超材料都已被广泛的提出和设计。超材料的研究呈现出了一个日益繁荣、百花齐放的局面。所研究的内容也早已经不在局限于传统的电磁超材料，而是逐渐渗入到了其他学科，比如光学、声学、力学等，它的研究内涵日益的扩大，代表着“超材料”这一概念日益受到了科学界的广泛认可，利用“超材料”调控各种类型波的技术思想逐步融入到了当前的工程学科的研究当中，比如在雷达、隐身、电子对抗等诸多领域具有巨大的应用潜力和发展空间。因此可以毫不夸张的说，超材料相关研究的日益成熟发展，标志着人类认识、改造和利用现有材料的能力进一步提高，不仅在材料科学领域具有一定的研究价值，从人类的进化本质就是通过掌握先进材料不断改造工具最终提高生产力的角度而言，同样具有很高的历史意义。

人工电磁超材料(electromagnetic metamaterial)，代表一类介电常数和磁导率可人为控制、各参量可正可负的新型人工复合电磁材料。一般情况下，超材料的电磁参数呈现出各向异性的特征，而左手材料则是其中一种各向同性的特例。电磁超材料具有自然界中原有材料所不具备的独特性质，其中出现了许多全新的物理现象，特别值得指出，近来利用人工电磁材料的独特电磁性质设计电磁波完美吸波材料(perfect absorber)成为电磁超材料研究中的另一个热点。深入研究电磁超材料的物理学基础和电磁学基础可大大拓展与深化人类对客观世界的认识,对于揭示出自然界基本规律具有根本性意义。同时，超材料突破并拓宽了自然界现有材料的电磁性质,其独特性质能够有效地提高电磁器件的性能，甚至有可能设计出具突破性的新型器件，有望给信息、军事等行业带来重要变革。电磁超材料已经成为凝聚态物理、电磁学、光学和材料科学等领域的研究热点。

超材料的用途和前景

超材料目前已经在许多工程学科的研究中掀起了一波发展浪潮。不仅在它的发源之初所属的微波领域，在光学甚至是跨学科的声学和力学等领域同样也取得了不菲的发展成绩。目前相当数量的科研人员投入到这一领域的研究当中，提出了许许多多的具体的应用场景，甚至还有不少已经有落地的产品推出问世。我们以电磁领域为例，使用超材料可以设计“隐身衣”，达到类似哈利波特的“隐形斗篷”的效果，将无人机或者其他需要被保护的装置用超材料包覆，在特定的电磁频谱内就可以不被发现。超材料可以显著的提高传统的电磁器件的工作能力，比如可以将所设计的用来辐射电磁波的天线方向性系数提高，损耗减少等等。在声学领域，超材料可以用来减振隔噪，在音乐厅、高速公路、汽车发动机隔音等场景中发挥它的效力。在力学领域，超材料可以用来引导结构中的弹性波的传播，实现弹性波的定向传输。利用超材料吸波体的吸波特性可有效地降低天线的结构模式项散射，从而显著减小天线的RCS。基于无源对消原理，利用具有极化转换特性的超材料也可显著减小天线的RCS。另外，也可利用超材料对电磁波的选择作用来降低天线的RCS。除上述方法之外，还可通过在天线上加载特殊结构来实现天线的隐身。例如，加载导波结构（基片集成波导结构）将电磁能量导引到低威胁角域，降低雷达对目标的探测概率；或者加载谐振结构减缩天线RCS等。此外，将不同减缩天线RCS的方法有机地结合在一起，可进一步有效地实现天线的隐身。除此之外同时具有良好低可观测性/低截获概率（LO/LPI）特性的天线系统已成为必然，其具备的特征有：灵活而精确的幅相控制能力，特殊设计的低副瓣特性（形状和指向）。较宽的工作带宽，良好的各态阻抗匹配特性等。

超材料的发展历史与进展

超材料的概念最早由俄国科学家V.G.Veselago在1968年提出。2001年,美国加州大学圣地亚哥分校的D.R.Smith教授等根据英国科学家Pendry等的建议,利用以铜和介质为主的复合材料首次在微波波段实现了具有等效负介电常数、负磁导率的物质，并在实验上证实了其具有双负参量的左手材料性质，从而引发了以左手材料为代表的超材料研究热潮。

超材料具有许多与通常的电磁材料完全不同的奇特性质。首先，双负等效电磁参量导致电磁波在其中传播时,电场和磁场与电磁波波矢量的方向满足左手法则(常规电磁介质中三者满足右手法则)；因此电磁波能流方向与电磁波传播方向反向平行,电磁波的群速度方向与相速度方向相反,从而具有反向波(backward wave)的特性，由此会产生反向的多普勒(Doppler)效应和反向的Cherenkov效应。其次，双负等效电磁参量还将导致负的折射率,形成负折射特性，这是与我们熟知的折射完全相反的奇特现象。2001年，圣地亚哥分校小组首先在实验上验证了微波频段的负折射现象，从而被美国《科学》周刊评选为2003年世界十大科学成就之一。基于负电磁参数的性质，J.B.Pendry还提出了由此可构成理想透镜，它可以突破传统透镜的衍射极限，对电磁波近场进行成像，从而获得远小于波长的超分辨率。随后各种类型的超材料广泛被提出研究。由于常规超材料具有一定的厚度，波在其中的传播存在较高的损耗，同时也不利于集成到当前的电子和光电系统中。研究人员提出了一种超元子的厚度小于波长，近似为表面的人工微结构，并将其命名为超表面。目前一般将超表面视为超材料的二维版本。

目前，国际上对超材料研究十分重视，美欧军事强国也十分关注其可能形成的重要军事应用价值,积极组织力量开展这方面的研究工作，并不断取得突破。早在2000年年底，美国国防部“国防高级研究计划署”(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)就专门启动了关于超材料的研究计划，旨在联合美国大学和研究机构的研究优势对超材料进行攻关；欧美国家的研究机构与政府均已看到了这种新型人工电磁材料的技术、产业、国防应用潜力，高度重视其研究和开发。如欧共体联合协调项目METAMORPHOSE(Meta Materials Organized for Radio,Millimeter Wave,and Photonic Superlattice Engineering)，由24个欧洲大学参与研究新型超电磁材料，目前已经转入第二阶段。美欧军方认为超材料有可能在隐身技术、武器装备中微波器件小型化和小型高效天线上取得突破性进展,这对提高通信和电子战能力尤为重要,因此积极支持超材料相关的基础和预研研究。

美国南加州大学开发出新型智能声学超材料，可控制声波的传播方式

美国南加州大学开发出新型智能声学超材料，可控制声波的传播方式2020年3月，美国南加州大学研究人员受鲨鱼皮肤启发，研发出可控制声波传播方式的新型智能声学超材料。传统声学超材料通常由金属或塑料制成，声学特性单一，难以对不同声波信 进行处理。此次研究人员利用鲨鱼皮肤具有双重声学特性的原理，采用橡胶和铁纳米颗粒制备出智能声学超材料，利用了橡胶易于弯曲和拉伸、铁纳米颗粒可响应磁场变化的特性。该声学超材料构成的柱状阵列通过分开或靠近即可实现声波的传播或阻断，目前尚处于实验室测试阶段，未来研究人员还将对其进行水下测试。

英国和土耳其合作设计出模块化超材料，可用于数据加密和可逆解密

2020年7月，土耳其毕尔肯大学（?hsan Do?ramac?-Bilkent University）与英国曼彻斯特大学（University of Manchester）合作设计出一种模块化超材料，可用于数据加密和可逆解密。该材料由两部分组成，顶部是透明的弹性衬底，其上涂覆约10纳米厚的金属层；底部是120纳米厚的银膜，其上涂覆介电层，以反射大部分入射光。当顶部和底部放在一起时，顶部的金属层与底部的银膜形成光学腔，腔的颜色等性质由介电层厚度决定。此时，在介电层上制作的图案即可由不同颜色显示。除去顶部后，图案就会消失，从而实现一次加密多次重复解密。该项研究为光学加密提供了一种更实用的途径，可用于秘密信息传递、重要物品防伪等。

美国罗彻斯特大学制备出世界上首个常温超导材料

2020年10月，美国罗彻斯特大学（University of Rochester）研究人员合成一种能在常温、超高压强条件下观察到超导现象的材料，创下超导温度的新纪录。研究人员将氢、碳和硫结合在一起，以光化学合成方法在一个金刚石压腔中合成了简单的有机衍生碳质硫氢化物材料，该材料能够在15摄氏度、155吉帕的条件下观察到超导现象。当前，超导体只能在低温和高压环境下工作，如果实现常温超导，有望通过产热最小化提升电导体和磁悬浮列车、粒子加速器等装置的效率。上述成果在常温下就可观察到超导现象，对超导现象的探索乃至实现能够应用的室温超导，都具有重要的指导意义。研究团队下一个目标是在环境压力下实现室温超导。

中国制备出力学性能可调节、可编程和可重构的拉胀力学超材料

2020年10月，哈尔滨工业大学研究人员受生物组织卷曲、缠绕状的胶原纤维启发，将波浪状韧带引入手性结构中并结合4D打印技术，制备出力学性能可调节、可编程和可重构的拉胀力学超材料。超材料的微结构由波浪状韧带和圆环节点组成，具备旋转对称特性。微结构的几何参数决定了超材料的宏观力学属性，且几何参数的多样性为调节、定制超材料的宏观力学行为创造了机会。拉胀力学超材料在受到轴向拉伸时会产生横向扩张，并表现出优异的力学性能，如抗剪切、耐压缩和抗冲击等性能，在航空航天、生物医疗、柔性电子等领域有着广阔的应用前景。

日本东京大学制备出超柔性自供电有机光学系统

2021年4月，日本东京大学的研究人员制备了倒置结构的超柔性聚合物发光二极管器件，并对器件的电子传输层进行掺杂，大大提升了器件的空气稳定性。随后，研究人员将发光二极管、有机太阳能电池和有机光电探测器集成，构筑了超柔性自供电有机光学系统。该系统十分灵活，能够直接附着在皮肤上长期监测人体的健康状况。相关研究成果发表于《自然·通讯》期刊。

美国研究人员利用喷墨打印技术构建出一种新型超材料

2021年6月，美国塔夫茨大学的研究人员利用低成本的喷墨打印技术，用有机聚合物构建了一种超材料。利用该材料设计出的非传统反射镜、透镜和滤光器，能对波进行阻挡、增强、反射、透射或弯曲，性能超越了传统材料。新型超材料可以用于医疗设备通信，此外，由于其具有生物相容性，在功能上可成为一种酶偶联传感器，同时其固有的灵活性可以使设备形成适合在人体表面或体内使用的整合面。

中国研究人员研发出可降低体表温度的超材料织物

2021年8月，华中科技大学陶光明教授团队与浙江大学马耀光教授团队、中国纺织科学研究院陶光明智能织物工作室等多家科研和产业单位进行交叉学科联合创新，研发了无源制冷光学超材料织物（Metafabric），该织物在户外暴晒环境下可为人体表面降温近5摄氏度。超材料织物对太阳光光谱有很好的反射效果，其主体由可生物降解的聚乳酸纤维编织而成，内部掺杂高折射率纳米散射介质，织物上部层压透气防水的服装膜。该织物可提供92.4%的高太阳光反射率和94.5%的高中红外发射率，在无源输入条件下，可实现全天低于环境温度2～10摄氏度的制冷效果。相关研究成果发表于《科学》期刊。

超材料与3D打印

超材料不同寻常的特性主要依赖于其独特的人工结构，通过对材料关键物理尺度上的结构进行有序设计，可以突破某些自然规律的限制，使材料具有“超能力”。3D打印技术可以将预先设计好的特殊机械结构实现出来，使打印对象具有超材料属性。

与常规材料3D打印产品一样，实现超材料3D打印也是需要特殊设计软件来实现的。哈佛John A.保尔森工程和应用科学学院和哈佛大学威斯学院生物启发工程研究所的研究人员，研发了一种设计超材料的基础设计框架软件。软件并不限制3D打印的尺寸，从米级到纳米级尺度的3D打印都适用这款软件，从减振建筑材料到光子晶体超材料结构都可以进行设计。它就像一个软件工具包，可以智能化地构建超材料。哈佛大学的科学家们基于计算模型，量化材料弯曲的各种不同方式，并计算弯曲如何影响刚度等特性，软件使用数字框架快速循环几百万种不同的图案，让电脑通过理想的属性设置，给定一个恰当的设计。当一个给定的设计被选中时，科学家将使用3D打印机通过材料组合来创造超材料原型。

3D打印超材料进展

2016年10月，美国劳伦斯利物莫尔国家实验室（LLNL）发布公告称，LLNL与麻省理工学院、南加州大学和洛杉矶加利福尼亚大学的一组科学家，开发了一种升温时收缩的3D打印超材料。这个超材料在降温后还可以恢复之前的体积，反复使用，在微芯片制造和高精度光学仪器等方面具有应用前景。3D打印对象能够遇热收缩的秘密就藏在材料金字塔形状的 格设计中，这些金字塔形状的 格由聚合物、聚合物-铜复合材料两种材料构成， 格的支柱是一种具有更高热膨胀性能的材料， 格的外部框架则由低膨胀性能的材料构成，当温度上升的时候支柱发生的膨胀会大于外部框架，此时 格中的每个连接点会向内拉，迫使支柱发生折叠，进而使全部 格都向内拉，最终使材料出现收缩现象。这种 格结构是通过显微立体光刻3D打印技术制造而成的。

国内的科研机构在超材料设计与3D打印方面也非常积极，其中活跃的科研单位有东南大学、中国人民解放军空军工程大学、西安交通大学、北京交通大学等。东南大学通过3D打印一种自相似空间折叠结构的分形声学超材料，用于宽带声聚焦透镜；中国人民解放军空军工程大学研发了基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特殊形状，使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装；西安交通大学使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行超材料实体3D打印，其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料；北京交通大学通过3D打印技术制备太赫兹波导预制棒，按照波导立体结构逐片打印以形成太赫兹波导预制棒，进而拉制成太赫兹波导，简化了制作工艺，降低了带有锐角微结构复杂横截面且纵向可变的太赫兹波导预制棒的制作成本，为后续拉制出具有优越传输性能的太赫兹波导，提供了很好的基础。

智能超表面

智能超表面（Reconfigurable Intelligent Surface, RIS）是未来很有潜力的一种发展方向特别是在未来6G的研究中将发挥重要的作用。它通过表面上的结构单元对电磁波进行控制，通过对每个结构单元的参数、位置进行调整，实现对任意的电磁波反射／折射幅度和相位分布的调整，以达到控制信 的幅度、频率、相位、极化特性，实现干扰协调、波束形成与信 补盲、非线性频谱搬移，并解决高频信 绕射传播问题。与传统中继通信相比，RIS可以工作在全双工模式下，能够以低成本方式实现频谱效率和能量效率的提高。RIS采用能量消耗少的无源反射，无需RF链路，不需要大规模供电，在功耗和部署成本上都将具有优势，在解决非视距传输、减小覆盖空洞等传统无线通信痛点问题具有积极意义。智能表面技术作为6G潜在关键技术之一，可以明显提升通信系统的覆盖效果。

续

将继续介绍相关的使用comsol hfss cst 具体的仿真操作过程， 。