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特异材料(Metamaterials)的定义与运用

  2021-01-19 阅读:27

       ★  对于许多人来说,创造出具有特定特性的定制材料是机械工程的里的圣杯。
       ★  特异材料科学是目前工程领域研究最多的领域之一,为未来提供了巨大的潜力。

       ★  单个特异材料的特性与材料本身一样重要。
       ★  纳米技术将在未来几年的特异材料发展中发挥不可或缺的作用,将技术提升到一个全新的水平。

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在过去的十年里,复合材料的使用使材料规格类型增加,以满足我们的需求。然而,还有其他一些材料,人类制造的和工业制造的,它们出现得较晚,而且它们也获得了特定的性质。在研究最多的材料中,特异材料(或MMS)作为一种几乎已经发展出自己的科学和多学科要求来在与它们性质接近的材料中脱颖而出。它们在许多方面都是独一无二的,我们现在将更详细地看看这些特异材料。


特制的材料

特异材料以特定的方式定制,以提供在天然材料中是不可能找到的有效的性能,它们的主要结构不是从原子或层开始的,而是在纳米尺度上创建出的单位框格,并在三维空间中周期性地排列。这些单位框格是由称为特异金属的小型金属谐振器制成。它们的结构、尺寸和间隙的尺寸决定了他的特性,主要是那些能与特定的外部电磁波相互作用,吸收、弯曲或避开它们的电磁波。

在经典材料中,共振磁导率是由介电响应导出的固有特性,其本身依赖于原子的结构。它要么是在其原始形式,要么是调整到一个小范围-但它们都不能超过几个太赫兹(太赫兹)。在超材料的情况下,这种结构允许有一个理想的波长范围,否则在自然界中是找不到的。这意味着,你不仅可以测量超材料的尺寸以避免任何特定的共振现象,你还可以操纵电磁波。这在一系列不同的场景中非常有用!

特异材料的应用
特异材料有几个实用领域:从提供地震保护到远程航空航天传感器探测,更不用说著名的隐形斗篷(隐形斗篷,由硅纳米材料制造而成,利用该特殊材料折射或吸收大部分光线,从而达到隐形的目的。目前这个斗篷基本上能在微波下“隐身”了)。它们也是超级透镜和智能太阳能管理系统发展的候选者,目前,它们被用于天线传输和半导体。目前一个特别吸引人的研究领域是能够为特定波长提供负折射率的特异材料。

研究
虽然许多研究所、实验室和网络已经合作推进研究,但它仍然主要处于书面阶段,原型设计被证明是相当棘手的。制造过程要么太贵,要么不现实。不幸的是,在目前的技术下,创建更多的单元并达到宏观规模将是漫长和有缺陷的。

有趣的是,一些实验室通过调整材料(通常是塑料),利用3D打印的能力创造了一个原型,而另一些实验室则使用了电子束光刻技术。然而,考虑到建造特异材料的过程,一个合理且已建立的制造途径是通过纳米技术和缩小使用特异材料的设备的规模。目前,特异材料的自组装和混合化学正在欧盟委员会的调查中。

展望未来
像往常一样,新的和有前途的技术是令人兴奋的,发现新用途的前景有助于推动新的边界。虽然特异材料的生产现在已经有了很好的记录,而且这个过程也在目前的技术范围内,但特异材料的特性和其他将会发挥作用的有效特性仍是一个尚未被详细讨论的关键问题。毕竟,人们之所以提到特异材料主要是因为它们的电磁特性,但考虑到它们的关键作用,其他特性(主要是机械或热特性)也应该考虑在内。这将需要一套全新的技术,但值得幸庆的是,工程界对这一领域的兴趣在变得越来越大。




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