“超材料”主导未来:一个神奇的世界即将开启
2015-03-12 10:23:41
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“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。”据国外媒体报道,“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。世界上的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。
接下来,科学家希望改变材料的力学特性。目前,人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。
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
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2015年3月初会议上,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。
这种类似橡胶板的材料,具有可编程的硬度性质
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。
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