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超材料”：从无感斗篷到弹性陶瓷
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时间:2015-03-06 16:50 来源:环球科学（huanqiukexue.com） “超材料”是一类具有特殊性质、自然界中并不存在的人造材料。物理学家和材料科学家正在对超材料的奇异特性进行研究，发掘它们在生活应用中的各种可能性。 通过改变材料的结构，我们可以操纵材料的外观和其他性质，接下来，科学家希望改变材料的力学特性。目前，我们已经看到了许多关于这些材料的构思、设计和初步应用，包括弹性陶瓷、无感斗篷和可编程橡胶海绵等。这些新材料的出现，将有助于建造宇宙飞船防护瓦，甚至开发出对地形敏感的鞋子。 “我认为超材料的概念已经渐渐深入许多不同领域，”德国卡尔斯鲁厄理工学院的马丁·魏格纳（Martin Wegener）教授说，“一开始是在电磁学领域引起热潮，后来进入了一些完全不同的领域，如热力学，以及再后来的机械力学中。” 魏格纳教授介绍称，“超材料”（metamaterial）一词已经被用于指代几乎所有古怪和神奇的设计，它们通常都具有非同寻常的性质，是原始材料所不具备的。 感觉不到的 魏格纳教授研究斗篷，但并不是为了使物体隐形。他的目的是将物理作用力隐藏起来。去年，他的实验室研制了一种蜂窝状的材料，可以使物体无法被人感觉到。这种特别的超材料是一种在某些性质上类似液体的固体晶格，能够使外部施加的压力发生偏转。 在演示中，这种超材料可以将一个很小的圆柱体（直径小于1毫米）隐匿起来，无法被手指感觉到。来自法国的物理学家和工程师提到了魏格纳等人的工作，他们指出，通过按某种模式进行谨慎、小心的钻孔，可以转移破坏性较大的地震波动。换句话说，这是将地面本身变成某种超材料，或许可以使发电厂免遭地震的威胁。 在美国物理学会的三月会议上，魏格纳教授展示了最新的工作成果，包括一种可以使平板中心的小洞无法被感觉到的超材料。他说：“这里的设计原则是，你可以将其应用在任何需要的东西上。” 设置鞋底 同样是在美国物理学会的三月会议上，荷兰莱顿大学的博士研究生巴斯蒂安·弗洛林（Bastiaan Florijn）展示了他的研究成果，他称这是世界上第一种机械力学上“可编程”的材料。 从外观上看，这种材料像是一块多孔的橡胶板，似乎没有太多的科技含量。但是，这些孔洞——有两种规格——其实是经过特殊设计的，可以在纵向和横向上进行压缩，这种方向的转换通过增加一个小型夹子而实现。 于是，我们最终得到的是一种超大号海绵，在挤压的过程中，它的质地可以很僵硬，也可以很柔软，或者介于二者之间。如果它在转换到柔软形态的过程中，同时仍然受到压力作用，就表现出所谓“负刚度”的性质，弗洛林称，这种性质十分奇特，目前他还没有想到如何加以应用。 不过，这种橡胶板的另一个特征可能具有十分巨大的用处：它能吸收能量。“想象一下，你可以编程出一种汽车保险杠，假如你驶入一个有很多小孩子的地方，你就会想拥有一个非常柔软的保险杠，”弗洛林说，“但如果是在高速公路上飞速行驶，你就会想它能足够坚固。”目前，弗洛林与同事们还与制鞋企业取得联系，希望能生产出根据不同地形调整的鞋子。 拯救发动机 哈佛大学的卡蒂亚·贝尔托迪（Katia Bertoldi）教授也在研究一种类似的奇特弹性材料，据称其具有负的“泊松比”（Poisson ratio）。这意味着在进行压缩的时候，这种材料会从各个方向进行收缩，而不是向另外两个侧面挤出去，变得又宽又平；而在拉伸的时候，它也会向各个方向延伸。贝尔托迪教授的团队已经开发出这种材料的多种有用特性，包括在受挤压的时候能吸收不同频率的声音。 泊松比还会影响金属的疲劳。贝尔托迪教授已经与劳斯莱斯公司合作，设计出具有复杂狭缝结构的发动机零件，可以经受住更多次的压缩周期。类似的原理还可以进一步应用到日常生活中，贝尔托迪教授称，为了获得独特的性质，我们可以研发出复合结构的建筑用砖，或者使用普通的砖，但以某种特别的方式进行组合。 反弹陶瓷管 加州理工学院的一个团队开发出了非常奇异的陶瓷材料，他们制作了非常小的陶瓷制品，在被压缩到50%之后还能反弹复原。研究团队采用的技术可以每次构造一个材料原子层，从而制造出一个空心陶瓷管网络。这些陶瓷管的壁只有几纳米厚（1纳米为1毫米的百万分之一），整个产品的厚度甚至比一张纸还薄。 他们采用的原材料是氧化铝，强度比钢还高，但与大多数陶瓷材料一样，非常的脆。不过，在陶瓷管壁厚度合适的条件下，这些微小的样品能从重击中恢复过来。尽管还远没有到实际应用的阶段，但有了足够的投资，相信这种陶瓷材料能够在一些领域中发挥重要作用。举例来说，宇宙飞船或飞机发动机或许可以使用陶瓷防护瓦来隔热，而不是使用金属罩。  一块很小的蜂窝状材料将圆柱体隐匿起来，使其无法被手指感觉到。  一块很小的蜂窝状材料将圆柱体隐匿起来，使其无法被手指感觉到。  这种类似橡胶板的材料，具有可编程的硬度性质。这种类似橡胶板的材料，具有可编程的硬度性质。  这种陶瓷材料的设计利用了晶格点阵技术，有点像埃菲尔铁塔。这种陶瓷材料的设计利用了晶格点阵技术，有点像埃菲尔铁塔。 |
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