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负折射让隐身不再是科幻 隐身衣可3D打印




想拥有一件哈利·波特小说中的隐身斗篷么,科学家说没问题。在昨天上海科协大讲坛举办的“3D打印与超材料智造”上,美国亚利桑那大学电气与计算机工程系辛皓教授表示,可以通过人为控制电磁波折射率的手段,让衣服“隐形”。“我相信有生之年能够做出这样的衣服。”辛皓说。今年的他正当年富力强,不久前他的团队更是取得了一项突破——第一次从理论上解决了制作隐形衣材料的损耗和增益问题。

负折射让隐身不再是科幻

想象一根稻草插在一杯水里,在正常折射率条件下,你观察到的水下面的稻草会弯曲,如果这杯水具有负折射的特性,你看到的稻草就会消失不见,这一原理是制作隐身衣的基础。辛皓说:“理论上说,能够认为设计任何折射率的材料,当人穿上能够弯曲他们周围光的衣服后,身体的一部分自然就隐形了。”

辛皓一直在从事超材料制造方面的研究。所谓超材料,就是拥有自然界并不存在的性能的合成材料,比如弯曲电磁波、声波和其他类型的波等。与其合作者一起,辛皓发现了一种使用金属、塑料和其他物质3D打印超材料的方法,使用这种方法打印出来的超材料具有奇特的“负折射”的特性,也就是说这种材料可以让光波倒退。

辛皓表示,这种超材料比较类似于多孔保龄球和微小铜线电路板,当它们以非常精细的几何结构组装时,就会出现负折射现象,导致周边能量波出现非自然弯曲,从宏观上看,这就是人们常说的隐形、幻觉等。

解决材料的损耗问题

其实,弯曲光线的理论已经提出很多年,但为何隐身衣还只是存在于科幻或玄幻小说中?辛皓说,就目前的技术条件来说,仍然有一部分光不可避免出现反射,这意味着对象还无法做到完全隐身。

“有时候穿着隐身衣反而会更加突出,比如你会看到黑乎乎的一块,这有可能是由于人为设计的、符合红光的折射率不适合蓝光所致。”辛皓说。

想要人人都买得起隐身衣,还要解决的一个大问题是成本。现在,当光波通过超材料后,材料会出现衰减,也就是说如果新买的衣服穿几天后就不管用,谁还会掏钱买?这成了超材料面临的最大问题。

辛皓团队设想了一种补偿机制,将给电池供电的隧道二极管以及微纳米制造技术融入设计中,当光通过材料时,通过微波强化产生能量增益,简单来说就是一边充电、一边放电。目前,这种自带能源供给的超材料已经通过理论上的验证。

这一成果一经发表,就引起广泛关注,不难想象,如果能解决超材料的“能量困境”,就能为人类社会带来许多新突破。比如将隐形衣“披”在飞机上,那么无论视觉还是雷达都无法发现它的存在;如果用于显微镜上,那么将突破光学的衍射极限,人们可以看到最微小、最精确的细节,比如单个蛋白质和病毒。

除了隐身,超材料还将带给人类社会翻天覆地的变化,比如弯曲水波或地震波。据悉,基于这一理论,法国正在研制一种地震波超材料来保护他们的医院、核电站等重要设施,当地震波与材料“相遇”时会自动“绕行”,保护重要设施不受损害。

3D打印将颠覆设计思维

辛皓相信,隐身衣一定能够制作出来,而制作的方式,很可能是3D打印。“3D打印与超材料是完美搭配。”他说。

为何3D打印如此受到新材料制造者的追捧?辛皓指出,任何一个物体都可以看成是空间分布的各种性质,如果我们在三维空间中的任意一点都能够任意放上我们需要的介质,理论上就能制造出完全贴合我们需求的产品。在美国,3D打印已经引起一场制造界的地震,不过在中国,辛皓认为人们对3D打印的本质理解得还不够透彻。

“为什么我们一直使用电路板,因为二维东西最容易设计,我们现处的电子世界就是从二维的电路板慢慢发展起来的。”辛皓说,“不过既然掌握了三维手段,我们为何不能在制造时直接从3D开始?”他举例说,比如在人骨中添加一块通讯材料,以便让人体与设备保持关联;又或者让飞机翅膀本身成为一根天线,有3D打印帮助,这些“异想”并不遥远。

超材料和3D打印会永远改变人们的生活,要实现它,我们还需更多颠覆性思维。


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