光启的前世今生1 概念篇介绍:要想了解 光启技术 的业务，就必须先了解超材料技术概念一．超材料技术

来源：雪球App，作者： 高山8，（https://xueqiu.com/3453520973/311078608）

概念篇介绍:要想了解光启技术的业务，就必须先了解超材料技术概念

一．超材料技术----开启人类调制材料性能的新时代

超材料，不论是它的名称还是它涉及的技术，听起来都十分魔幻，超出普通人的想象。本文只是简单介绍一下，如果还不能理解，只能自己百度了。

1.什么是超材料技术？

1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格首先提出了超材料的概念。一般文献中给出超材料的定义是"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。"

超材料的特征：具有新奇人工结构的复合材料；具有常规（或传统）材料不具备的超常物理性质；超常物理性质主要由新奇的人工结构决定；新奇的人工结构包括单元结构（人工原子和人工分子）和单元结构集合而成的复合结构两个层次。

举个简单例子大家就明白了。光射入水中折射路径如上图的左边所示，但研究发现如果水的介电常数和磁导率都被调整为负值时，光射入水中的折射路径就如上图的右边所示。这种介电常数和磁导率都为负值的水在自然界中是不存在的，但通过人为地改变水的分子结构形式，就能使水具有天然水所不具备的超常物理性质，这就被称为超材料。通俗地说超材料是指通过人工改变或重新设计天然材料的微结构，使其具备天然材料所不具备的超常物理功能（如在声学方面、电学方面、磁学方面、光学方面等）的复合材料。

与以往的创新是根据自然界有什么材料，就制作什么样的产品不同，超材料完全是逆向思维，是根据不同的应用需求，制造具备特定性能的材料，真正做到"按需定制"。比如，如果客户要求材料具有电磁波隐身功能，生产商不是通过改进已有的隐身涂料来实现材料的隐身，而是通过算法设计，重新排布功能性材料的微结构单元，让材料本身具备隐身性能。

超材料涉及众多学科领域，如电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等，是全球最前沿的最具有战略性意义的研究课题。

2.超材料技术将使人类拥有海量的物质基因

近现代物理学告诉我们，宇宙万物都是由物质组成的，而任何物质的内部结构都有丰富的层次。具体来说物质由分子和原子组成，原子由原子核和电子组成，剖开原子核，里面是质子和中子。而质和中子的内部是夸克，夸克可能还有更深层次的内部结构。

大自然改造物质的方式：大自然通过控制原子核层次，调整质子与中子的数量来生成新物质，比如说金的原子核包含79颗质子和118颗中子，如将质子数减少到47颗，中子数减少到61颗，大自然就可以将金原子变为银原子并改变其颜色。

人类改造物质的方式：科学家通过纳米层次上的人工设计，可以更加灵活地控制物质属性，比如说将纳米金颗粒加工为三角形，24K纯金就呈现为红色，进一步将其加工为五边形，24K纯金也可以呈现绿颜色超材料技术的核心就是，在大自然控制的层次以外，进行物质的人工操控，实现远超自然界物质的性能。

超材料技术的出现，颠覆了传统意义上的折射定律、反射定律，比如说它可以使电磁波往反向反射，也可以往指定方向反射。可以定制化的扭曲空间，使无数不可能成为可能。

自然界目前只有有限的118种元素，而人类已经创建了多达500亿种微结构的人造物质基因库，未来人类能够使用海量的物质基因，用超材料。

编码实现全新的未来装备。通过人造物质创造飞机、舰船、汽车以及机器人，并随心所欲地定制未来的美好产品和生活。3.超材料的应用方向具体来说，目前超材料的研究有两大方向。（1）电磁超材料电磁超材料是目前超材料研究的主要方向，它将使人类继利用半导体自由调控电子传输之后，首次具备了自由调控电磁波的能力。这对未来的新一代通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。隐身衣就是电磁超材料迄今为止研究最为集中的方向，其重要应用价值大家不言自明。"电磁黑洞"是一种能够全向捕捉电磁波的电磁超材料，能引导电磁波在壳层内螺旋式地行进，直至被有耗内核完全吸收，使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现，不仅将为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力，因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。

慢波结构是一种能使电磁波减速甚至停止的电磁超材料，不仅可应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术，还可应用于光缓存和深亚波长光波导，极大增强非线性效应，促进光电技术的发展。

超材料透镜是一种可实现高定向性辐射的电磁超材料，可用于制造先进的透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等。

（2）常规材料的超材料

如将超材料设计思想应用于常规材料，比如说超导材料、石墨烯、碳纤维、钛合金，甚至钢、铁、陶瓷等常规材料，可在显著提高常规材料综合性能的同时，还大幅度减少稀缺元素用量，为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如，常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合，可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下，使磁性材料的磁能级成倍提高，而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。