超材料指的是一些具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料，是21世紀(jì)以來出現(xiàn)的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質(zhì)，而且這些性質(zhì)主要來自人工的特殊結(jié)構(gòu)。

超材料擁有一些特別的性質(zhì)，比如讓光、電磁波改變它們的通常性質(zhì)，而這樣的效果是傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的。其成分上沒有什么特別之處，它們的奇特性質(zhì)源于其精密的幾何結(jié)構(gòu)以及尺寸大小，奇異性質(zhì)使它具有廣泛的應(yīng)用前景，從高接收率天線，到雷達(dá)反射罩甚至是地震預(yù)警等。其中的微結(jié)構(gòu)，大小尺度小于它作用的波長，因此得以對波施加影響。對于超材料的初步研究是負(fù)折射率超材料。

超材料核心特征

? 人工結(jié)構(gòu)主導(dǎo)性能

通過精密設(shè)計微結(jié)構(gòu)(如開口諧振環(huán)、金屬線陣列等)，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率、零/負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率等反常電磁響應(yīng)；

? 跨學(xué)科屬性

囊括電子工程、凝聚態(tài)物理、微波、光電子學(xué)、經(jīng)典光學(xué)、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)以及納米科技等多個領(lǐng)域；

? 按需定制功能

可針對特定波段(微波、太赫茲、紅外、可見光等)或物理場(電磁波、聲波、彈性波等)進(jìn)行功能設(shè)計。

超材料的設(shè)計思想是新穎的，這一思想的基礎(chǔ)是通過在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計來突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。超材料的設(shè)計思想昭示人們可以在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計和開發(fā)帶入一個嶄新的天地 。典型的“超材料”有“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料” 、“金屬水”。

超材料的類型

1、自我修復(fù)材料：仿生塑料

伊利諾伊大學(xué)的Scott White研發(fā)出了一種具備自我修復(fù)能力的仿生塑料。這種聚合物內(nèi)嵌有一種由液體構(gòu)成的“血管系統(tǒng)”，當(dāng)出現(xiàn)破損時，液體就可像血液一樣滲出并結(jié)塊。相比其他那些只能修復(fù)微小裂痕的材料，這種仿生塑料可以修復(fù)最大4毫米寬的裂縫。

仿生塑料是生物模擬實(shí)現(xiàn)的化學(xué)制品，它利用細(xì)菌、植物、動物或某種生物功能的特性，開發(fā)出符合生物的環(huán)境友好耐久性的材料。它的開發(fā)為想模擬生物的性能打開了不同維度的路徑，比如彈性、耐久性、可加工性等。從宏觀來看，仿生塑料由兩部分組成：有機(jī)分子和無機(jī)環(huán)境，模仿了生物物質(zhì)的自然播種。

? 從有機(jī)分子組成來看，仿生塑料由一回塑料/加工形態(tài)，尤其是微流體影響自由的褶皺，以及蛋白、碳納米管等組成。而且，還可以加入抗菌性的細(xì)菌，讓仿生塑料具有抗病菌性能。

? 從無機(jī)環(huán)境來看，仿生塑料的基本結(jié)構(gòu)是由高分子聚合物組成的，它可以模仿手臂、腿、頭部等所有生物物質(zhì)的形狀和力學(xué)特性。它具有很強(qiáng)的耐磨性、耐久性和質(zhì)變性，可調(diào)節(jié)的形狀可以很好地攔截外界所施加的暴力。

? 從應(yīng)用來看，其主要應(yīng)用于軍事、汽車和航空尖端技術(shù)，它能被用于穿甲裝甲板，更貼合人體曲線，環(huán)保性更高，不會污染空氣和水質(zhì)；在航空和汽車中，它可以用于空氣動力系統(tǒng)、動力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及機(jī)翼和發(fā)動機(jī)護(hù)盾，可以替代金屬，可以減輕機(jī)身重量，提高效率。

2、熱電材料

一家名為Alphabet Energy的公司開發(fā)出了一種熱點(diǎn)發(fā)電機(jī)，它可被直接插入普通發(fā)電機(jī)的排氣管，從而把廢熱轉(zhuǎn)換成可用的電力。這種發(fā)電機(jī)使用了一種相對便宜和天然的熱電材料，名為黝銅礦，據(jù)稱可達(dá)到5-10%的能效。科學(xué)家們已經(jīng)在研究能效更高的熱電材料，名為方鈷礦，一種含鈷的礦物。

熱電材料是基于塞貝克效應(yīng)(溫差發(fā)電)和珀耳帖效應(yīng)(熱電制冷)實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料。其核心性能指標(biāo)為熱電優(yōu)值ZT，主要材料包括碲化鉍、碲化鉛及硅鍺合金，該材料具有無運(yùn)動部件、零排放、長壽命等特點(diǎn)，通過納米結(jié)構(gòu)設(shè)計可實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。

熱電材料目前已經(jīng)開始了小規(guī)模的應(yīng)用，比如太空探測器供電(如旅行者一號)、工業(yè)廢熱回收及柔性電子設(shè)備等。2025年青島科技大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)出兼具彈性和熱電性能的N型熱電彈性體，適用于可穿戴設(shè)備；中國科學(xué)家團(tuán)隊研制聚合物多異質(zhì)結(jié)(PMHJ)結(jié)構(gòu)柔性材料，ZT值達(dá)1.28，接近商用塊體材料水平；河北工業(yè)大學(xué)研制的離子熱電水凝膠實(shí)現(xiàn)-38.6 mV/K塞貝克系數(shù)與382.5%斷裂伸長率，適用于自供能傳感器；東華大學(xué)通過原子級界面強(qiáng)化策略提升鎂基器件熱循環(huán)穩(wěn)定性；哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)鉍化鎂單晶熱電材料，拓展人體體溫發(fā)電應(yīng)用等。

3、鈣鈦礦

鈣鈦礦是一類具有特定晶體結(jié)構(gòu)的化合物材料，它們可以包含任意數(shù)量的元素，其名稱來源于早期發(fā)現(xiàn)的鈣鈦礦礦物——鈦酸鈣。這種化合物有個特點(diǎn)，即它們的晶體結(jié)構(gòu)都具有一個 “框架”，這個框架由三種不同的組分組成，被稱做A、B和X。

? A組分通常是半徑比較小的一價陽離子，比如銫、銣，也可以是半徑較大的有機(jī)胺離子；

? B組分通常為二價過渡金屬陽離子，如鉛、錫等；

? X組分則為鹵素陰離子，如氯、溴和碘。

鈣鈦礦以其優(yōu)異的光電性能、可設(shè)計性強(qiáng)、制備工藝簡單和原材料豐富等優(yōu)勢，目前在太陽能電池、發(fā)光二極管、光電探測器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在2009年，使用鈣鈦礦制作的太陽能電池具備著3.8%的太陽能轉(zhuǎn)化率；到了2014年，這一數(shù)字已經(jīng)提升到了19.3%；相比傳統(tǒng)晶體硅電池超過20%的能效；科學(xué)家認(rèn)為，這種材料的性能依然有提升的可能。

除晶體硅外，鈣鈦礦也可用來制作太陽能電池的替代材料。鈣鈦礦電池具有制備工藝簡單、成本低廉、可柔性化等優(yōu)勢，被認(rèn)為是下一代太陽能電池的重要發(fā)展方向。鈣鈦礦是人工合成的材料，根據(jù)不同的材料配比，帶隙可調(diào)節(jié)，并可與晶硅做成疊層電池。帶隙是半導(dǎo)體可以吸收的最低能量，半導(dǎo)體無法吸收能量小于帶隙的光子，能從光子獲得的能量也不會超過帶隙能量。

鈣鈦礦材料與晶硅材料或和經(jīng)人工調(diào)整的鈣鈦礦材料疊層后，就可覆蓋大范圍帶隙，因而能夠吸收不同波長的光。目前單結(jié)鈣鈦礦電池理論效率為31%，與晶硅疊層理論效率超過43%。相比晶體硅，這些原材料要便宜得多，且能被噴涂在玻璃上，無需精心組裝。

4、氣凝膠

氣凝膠是指通過溶膠凝膠法，用一定的干燥方式使氣體取代凝膠中的液相而形成的一種納米級多孔固態(tài)材料。一般常見的氣凝膠為硅氣凝膠。氣凝膠具有凝膠的性質(zhì)，如膨脹作用、觸變作用、離漿作用，并具有低密度、低導(dǎo)熱性、高孔隙率、耐高溫、不燃等特性。

氣凝膠是世界上密度最小的固體，2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。按主要成分可分為硅系、碳系(包括石墨烯氣凝膠、碳納米管氣凝膠等)、金屬氧化物系、有機(jī)氣凝膠及有機(jī)-無機(jī)雜化氣凝膠等。由于空氣占了絕大部分比重，氣凝膠還是一種絕佳的絕緣體，它的結(jié)構(gòu)也賦予其超高的強(qiáng)韌性。

在熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、吸附催化等方面，氣凝膠均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，這使其在航空航天、建筑節(jié)能、化工工業(yè)、電子電工、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。NASA的科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗一種由聚合物所制成的柔性氣凝膠，作為太空飛船在穿過大氣層時的絕緣材料。

5、Stanene——導(dǎo)電率100%的材料

和石墨烯一樣，Stanene(錫烯)也是一種由單原子層所制作的材料，是一種由單層錫(Sn)原子構(gòu)成的二維材料，具有類似石墨烯的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，但因錫原子較重，其結(jié)構(gòu)通常呈現(xiàn)褶皺狀。由于使用了錫原子而非碳原子，這使其具備了石墨烯所無法實(shí)現(xiàn)的特性——100%的導(dǎo)電率。

? 拓?fù)浣^緣體

理論上，stanene在室溫下可實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)，即電子僅沿材料邊緣無阻力傳導(dǎo)，內(nèi)部絕緣；

? 強(qiáng)自旋軌道耦合

源于錫的高原子序數(shù)，使其能帶在布里淵區(qū)中心打開數(shù)百meV的能隙，有利于實(shí)現(xiàn)室溫拓?fù)漭斶\(yùn)；

? 超導(dǎo)性

實(shí)驗已在薄層(2原子層及以上)stanene中觀測到二維超導(dǎo)電性，而且超導(dǎo)與拓?fù)溥吘墤B(tài)可共存；

? 高穩(wěn)定性

部分制備的stanene薄膜在大氣環(huán)境中可保持性質(zhì)超過三個月。

目前，Stanene在低功耗電子器件、拓?fù)淞孔佑嬎愫图{米醫(yī)學(xué)等方面有很好的應(yīng)用。

? 低功耗電子器件

因零耗散導(dǎo)電特性，可用于下一代超高速、低發(fā)熱芯片互連。

? 拓?fù)淞孔佑嬎?/span>

超導(dǎo)+拓?fù)溥吘墤B(tài)的共存為實(shí)現(xiàn)一維拓?fù)涑瑢?dǎo)和馬約拉納費(fèi)米子提供平臺。

? 納米醫(yī)學(xué)

錫烯基納米片可作為超聲/光熱雙模態(tài)治療劑，用于癌癥聯(lián)合治療。

6、光操縱材料

光操縱材料是指能夠通過外部光場(如激光、LED等)實(shí)現(xiàn)對光的傳播、吸收、反射、折射、偏振或相位等特性的主動調(diào)控的一類功能材料。這類材料廣泛應(yīng)用于光電子、信息存儲、通信、傳感、成像及“隱形”技術(shù)等領(lǐng)域。

? 超材料(Metamaterials)

通過人工設(shè)計的微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對電磁波(包括可見光、太赫茲、微波等)的非自然操控，例如實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率、電磁隱形等。典型應(yīng)用有隱形斗篷、超透鏡、太赫茲調(diào)制器等。

? 光致相變材料

在超快光脈沖激發(fā)下，材料發(fā)生從電子躍遷到宏觀物性(磁性、導(dǎo)電性、顏色等)的轉(zhuǎn)變。

? 反鐵磁材料的光操控

利用太赫茲激光精準(zhǔn)刺激反鐵磁材料(如FePS?)中的原子自旋，實(shí)現(xiàn)磁態(tài)切換，可用于低功耗、高速內(nèi)存芯片。磁態(tài)轉(zhuǎn)換后即使關(guān)閉光仍能保持?jǐn)?shù)毫秒，具備非易失性潛力等特點(diǎn)。

? 二維光調(diào)控材料

如鐵電材料CuCrP?S?(CCPS)，可高精度、低損耗調(diào)制光的相位與折射率，適用于集成光子電路、神經(jīng)形態(tài)計算、環(huán)境傳感等。

? 光響應(yīng)高分子與液晶彈性體

含偶氮苯基團(tuán)的材料在紫外/可見光照射下發(fā)生可逆順反異構(gòu)，導(dǎo)致宏觀形變(如彎曲、收縮)，形變量可達(dá)20%。應(yīng)用于柔性執(zhí)行器、光驅(qū)動機(jī)器人、可重構(gòu)光學(xué)元件等。

? 智能光學(xué)功能材料

包括光致變色、電光、磁光、熱光等材料，可通過外場調(diào)控光的強(qiáng)度、頻率、偏振等。

典型應(yīng)用場景

? 光存儲與計算

飛秒級響應(yīng)材料推動超快非易失性存儲器和全光邏輯器件發(fā)展。

? 隱形與偽裝

超材料或a-MoO?實(shí)現(xiàn)近完美電磁隱形。

? 智能顯示與傳感

光致變色材料用于自適應(yīng)窗、高對比度顯示、生物傳感器。

? 節(jié)能建筑

近紅外反射顏料（如ITO、ATO納米粒子）降低室內(nèi)升溫。

? 6G通信與太赫茲技術(shù)

光摻雜硅基超材料實(shí)現(xiàn)動態(tài)波束控制。

超材料是“材料”又不是“材料”,說其是“材料”是因為其結(jié)構(gòu)組成材料是現(xiàn)實(shí)存在的，說其不是“材料”是因為其通過微結(jié)構(gòu)的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了目前自然界現(xiàn)有材料所不具備的物理特性。未來，超材料將有可能成為一種前途不可限量的新型材料，但是目前距離真正大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待克服，這也將成為未來超材料研究的主流方向，并可能出現(xiàn)因技術(shù)的進(jìn)一步突破取得更多成果的領(lǐng)域。