圖1負(fù)膨脹系數(shù)超材料

 

超材料的概念源頭可以追溯到1967年由前蘇聯(lián)科學(xué)家Veselago提出的“左手材料”。Veselago從理論上研究了介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，同時為負(fù)值時材料的電磁學(xué)性質(zhì)，表明電磁波在其中傳播滿足“左手定則”，稱為“左手材料”，只是由于沒有實驗驗證，加之當(dāng)時處于功能材料發(fā)展初期，人們對Veselago的發(fā)現(xiàn)并未予以足夠重視。2001年，美國加州大學(xué)圣迭戈分校的Smith等物理學(xué)家根據(jù)英國帝國理工大學(xué)的John Pendry教授提出的構(gòu)造左手材料的巧妙設(shè)計方法，利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，從而證明了左手材料的存在。2002年，麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了左手材料存在的合理性，并稱這種人工介質(zhì)可能用于電磁波隱身等。

 

超材料從預(yù)想到成為現(xiàn)實，其重要意義不僅僅體現(xiàn)在幾類主要的人工材料上，而在于它讓人類創(chuàng)造活動突破了自然物質(zhì)的束縛，使人們在不違背自然基本規(guī)律的前提下通過巧妙設(shè)計獲得具有超常物理性質(zhì)的“人造物質(zhì)”。“超材料”一個較重要的設(shè)計理念是巧妙利用材料中的“關(guān)鍵物理尺度”。光子晶體是利用關(guān)鍵物理尺度的控制來實現(xiàn)材料超常物理性質(zhì)的典型例子，它是通過在波長尺度上材料的介電周期結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對光子在其中運動狀態(tài)的調(diào)控的。

 

近年來，增材制造或3D打印技術(shù)作為一種數(shù)字化、直接化的制造技術(shù)，從形狀上來說可以實現(xiàn)“所想即所得”，從材料來說可以實現(xiàn)材料的數(shù)字化復(fù)合或組合，從尺度上來說可實現(xiàn)從納米級到米級結(jié)構(gòu)的制造，從而為超材料的加工實現(xiàn)提供了一種快速通道。

 

 

固體材料通常會隨溫度變化產(chǎn)生膨脹或收縮行為，然而材料的熱脹冷縮會降低精密部件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性，甚至破壞材料的功能特性。在光學(xué)儀器、微電子器件、航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域，迫切需要形狀和尺寸不隨溫度變化的結(jié)構(gòu)，以保證其構(gòu)件具有高的尺寸穩(wěn)定性、精密性和長的使用壽命。零膨脹、近零膨脹和負(fù)膨脹材料成了材料科學(xué)的一個重要分支學(xué)科，并成為材料科學(xué)中一大研究熱點。

 

 

圖2 投影式微立體光刻3D打印原理

 

材料學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)研究表明：材料的熱膨脹性能由正常的晶格振動決定，但同時還受其他物理效應(yīng)的影響。當(dāng)其他因素使單胞的體積隨溫度升高而縮小，并且作用大于正常原子非簡諧振動的效果時，材料表現(xiàn)出負(fù)熱膨脹性能。經(jīng)過不斷研究，科學(xué)家們陸續(xù)報道了各種低熱膨脹材料以及負(fù)熱膨脹材料，比如鎢酸鋯（ZrW2O8）系列負(fù)熱膨脹材料、鋰霞石（LiAlSiO4）、磷酸鋯鈉（NaZr2P3O12）等。但是由于反常熱膨脹材料的熱力學(xué)性質(zhì)研究相對較少，從而給合成制備熱膨脹系數(shù)可調(diào)材料帶來困難。2016年10月25日，美國勞倫斯利物莫爾國家實驗室（LLNL）發(fā)布了研究成果，該實驗室工程師和麻省理工學(xué)院（MIT）、南加州大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分?？茖W(xué)家合作，首次利用3D打印技術(shù)制備出受熱收縮的超材料結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這個新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復(fù)之前體積，能反復(fù)使用，適用于制作溫度變化較大環(huán)境中所需要的精密操作部件，如微芯片和高精光學(xué)儀器等。

 

在制造所設(shè)計的負(fù)膨脹超材料結(jié)構(gòu)時，麻省理工學(xué)院的研究人員采用了投影式微立體光刻（Projection Micro-StereoLithography，PµSL）3D打印技術(shù)，其原理如圖2所示。工作時，先將不同材料的液滴噴在一個透明窗口上，再通過數(shù)字投影機把圖案分別投射在需要固化的液滴背面，被光照過的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu)，附著在一個樣品支架上，窗口上沒有曝光的液滴則被清除，如此反復(fù)，可以得到所需的復(fù)合材料。

 

 

一般常見彈性固體的泊松比ν＝0.3～0.5，即在拉伸時材料的橫向發(fā)生收縮。而負(fù)泊松比效應(yīng)，是指受拉伸時，材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹；而受壓縮時，材料的橫向反而發(fā)生收縮。負(fù)泊松比材料作為一種可設(shè)計的結(jié)構(gòu)材料，直到1987年美國愛荷華大學(xué)的Lakes首次通過對普通聚合物泡沫的處理得到具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比材料，這一領(lǐng)域內(nèi)的研究開始蓬勃發(fā)展起來。

 

圖3 3D 打印制造的電磁波“地毯式隱身罩”

 

負(fù)泊松比材料由于具有不同于普通材料的獨特性質(zhì)，在很多方面具備了其他材料所不能比擬的優(yōu)勢。首先負(fù)泊松比效應(yīng)可以使材料的力學(xué)性能得到增強，包括剪切模量、斷裂韌性、熱沖擊強度、壓痕阻力等。其次，由于材料的泊松比影響到應(yīng)力波的傳輸和反射，應(yīng)力的消除和在裂紋附近的應(yīng)力分布，所以負(fù)泊松比材料適合制造緊固件或安全帶，在受外力時材料的橫向膨脹可以抵消外力的作用，從而提高這些部件的抗負(fù)荷能力。

 

目前負(fù)泊松比材料的制備方法主要分為兩類：一是通過對正泊松比材料的變形以及合理鋪設(shè)方式獲得負(fù)泊松比效應(yīng)；二是通過創(chuàng)新材料的構(gòu)筑方法和技術(shù)直接制備負(fù)泊松比材料。目前的制備技術(shù)僅限于實驗室的研究，且材料與結(jié)構(gòu)只能在理想狀態(tài)下進(jìn)行制備，與實際工程材料結(jié)構(gòu)的制造有很大差距。然而3D打印技術(shù)的應(yīng)用，無疑對縮小這種差距提供了前所未有的助力。

 

 

電磁超材料是一種介電常數(shù)與磁導(dǎo)率可為正、零或負(fù)數(shù)的，具有負(fù)折射、逆多普勒、逆Cerenkov輻射和消逝波放大等效應(yīng)的人工復(fù)合材料。正是由于電磁超材料具有傳統(tǒng)的天然材料不同的電磁介質(zhì)，許多現(xiàn)實應(yīng)用就此產(chǎn)生。電磁超材料通常由基本諧振單元（如電諧振器、磁諧振器）構(gòu)成，通過對單元諧振特性的設(shè)計可以在特定頻段對超材料的等效電磁參數(shù)進(jìn)行有效控制。

 

西安交通大學(xué)田小永等采用基于漸變折射率超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計了“地毯式隱形罩”、“電磁黑洞”等器件，以光固化3D打印技術(shù)為制造手段，光敏樹脂為基體材料，制作出了這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D電磁器件。如圖3所示，“地毯式隱身罩”的電磁波傳輸作用是改變因中間凸起部分對入射電磁波產(chǎn)生的散射現(xiàn)象，從而隱藏電磁波對突起內(nèi)部物體的探測作用。試驗結(jié)果表明，通過改變單元結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，實現(xiàn)單胞等效介電常數(shù)和折射率的可控設(shè)計，可完成電磁波的可控傳播，實現(xiàn)電磁隱形。

 

超材料從設(shè)計材料學(xué)的角度極大地解除了“自然物質(zhì)特性”對人類創(chuàng)造活動的束縛，3D打印技術(shù)從設(shè)計制造學(xué)的角度解除了“傳統(tǒng)制造手段”對人類創(chuàng)造活動的約束，兩者的交叉融合應(yīng)用必將彰顯出巨大的價值威力。