0引言
超材料(metamaterial)是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料;其通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计,可突破某些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。
超材料作为一种材料设计理念以及研究前沿,越来越引起人们的关注[1,2,3,4] 。迄今发展出的“超材料”包括:“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等,超材料性质往往不主要决定与构成材料的本征性质,而决定于其中的人工结构。
关于超材料的中国专利申请的目前主要来自于各大高校、研究院及其衍生企业。经检索,关于超材料的中国专利申请为2901篇,其中1386篇专利申请的申请人为深圳光启高等理工研究院和/或深圳光启创新技术有限公司团队;而东南大学、西北工业大学、浙江大学、中国科学技术大学等高校也申请了为数不少的专利。在此,以深圳光启高等理工研究院和/或深圳光启创新技术有限公司团队的专利申请作为着眼点,对超材料作简要介绍。
1超材料的超常物理性质
超材料由介质基材和设置上基材上的多个人为结构组成,可以提供各种普通材料具有和不具有的材料特性。单个人为结构大小一般小于1/10个波长,其对外加电场和/或磁场具有电响应和/或磁响应,从而具有表现出等效介电常数和/或等效磁导率,或者等效折射率和波阻抗。人为的结构的等效介电常数和等效磁导率(或等效折射率和波阻抗)由单元几何尺寸参数决定,可人为设计和控制。
1.1介电常数
介电常数是材料对电场响应的一个参数,随着技术日新月异的发展,人们对材料的应用要求越来越高,在某些场合,所需要的介电常数值远高于自然界已有的材料的介电常数值,现有的介电常数较高的绝缘体也不能达到要求,而人工制造的超材料则可以制造出高的介电常数的材料。如,专利CN102480009A、CN102544739A、CN102738590A等。
1.2磁导率
目前,国际社会对磁导率方面已有大量的研究,其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟,对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点,负磁导率具有量子极化作用,可以对入射波产生极化作用,因此作用范围很大,如在医学成像领域中的磁共振成像技术,负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果,另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用。专利CN102480055A、CN102593592、CN102683872等是通过不同的人造微结构的设计制备了负磁导率的超材料。
1.3折射率
超材料内部的折射率分布是超材料表现出超常功能的关键部分,不同的折射率分布对应不同的功能。折射率分布越精确,所实现的功能越好。如:专利CN102480005A设计了分段式的折射率变化的超材料;专利CN102544742A通过初始相位法得到能够控制折射率的超材料。
1.4波阻抗
随着现代科学技术的发展,电磁波辐射对环境的影响日益增大。在机场,飞机航班因电磁波干扰无法起飞而误点;在医院,移动电话常会干扰各种电子诊疗仪器的正常工作。因此,治理电磁污染,寻找一种能抵挡并削弱电磁波辐射的材料——吸波材料,已成为材料科学的一大课题。但是,现有的吸波材料有阻抗难以匹配、难以做得很薄的缺陷。而通过设计合适的微结构可制备应用于特殊场合的吸波超材料,如专利CN102480909A、CN102682858A、CN102770009A等。
2超材料的应用
超材料的应用主要集中于天线,而天线的扩展应用的涉及面较广,如天线罩、SIM卡、射频识别系统、滤波器、摄像头、打印机等等。另外,超材料也常用于核磁共振成像、谐振腔等领域。
3结语
超材料的提出改变了人们对传统材料的认识,其是在不违背基本的物理学规律的前提下,通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的材料。超材料为电、磁、光等领域中新材料的设计与开发带来新的机会。
摘要：超材料由于具备超常物理性质而获得人们越来越多的关注。本文从超材料的专利申请为入手点,对超材料的超常物理性质和应用作一简单介绍。
关键词：超材料,超常物理性质,专利
参考文献
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