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你不知道的超材料 产业化应用原来已经这么厉害——超材料技术产业研讨会

来源: | 浏览量:2698 | 发布时间:2016-12-21 16:14:45

你不知道的超材料 产业化应用原来已经这么厉害

12月17日,2016年度“超材料电磁调制技术国家重点实验室”学术委员会暨超材料技术产业研讨会在佛山保利洲际酒店举行,佛山市委常委、常务副市长蔡家华、深圳光启高等理工研究院副院长赵治亚、国家发改委、工业及信息部的领导及专家出席了会议,就超材料的应用、发展前景以及未来的挑战进行了交流。

                                                                             图为与会嘉宾现场照片
超材料作为战略新兴产业,被列入国家十三五规划纲要将要重点推进的100个重大计划,包括《中国制造2025》,以及国家重点研发计划等。

超材料领域首个国家重点实验室(即超材料电磁调制技术国家重点实验室)依托于深圳光启高等理工研究院建立,于2015年11月通过验收。实验室组建以来一直瞄准国际超材料研究发展方向和技术前沿,开展超材料电磁调制技术应用基础研究。
此次研讨会的召开,是为加快推进国家创新驱动战略实施,加强我国超材料及相关领域的学术交流,促进超材料技术从科学研究走向大规模应用。

会议要闻

                                                    图为佛山市委常委、常务副市长蔡家华致辞

佛山市委常委、常务副市长蔡家华在会议上致辞。他肯定了深圳光启高等理工研究院在超材料领域所取得的成绩,并表示,佛山是全国重要的制造业基地,将以打造国家制造业创新中心为战略引领现代化建设全局,目前已经将新材料和高端装备作为支柱产业来扶持。

图为光启高等理工研究院副院长赵治亚发言

光启高等理工研究院副院长赵治亚表示,光启专注于超材料科学研究和技术转化,目前已掌握世界前沿的超材料技术及相关核心自主知识产权,已经成为超材料行业的龙头企业,并正在全力推进超材料技术的产业化进程。


图为工业及信息部软件与集成电路促进中心云计算研究中心主任杨东日讲话

工业及信息部软件与集成电路促进中心云计算研究中心主任杨东日认为,超材料作为一种新兴的、创新型技术,突破了自然规律的限制,实现了常规材料所不具备的超常物理性质,极大地拓展了材料的应用广度和深度,在军、民领域都有庞大的市场需求,“佛山优势的产业基础与新兴的超材料创新技术相结合,必将擦出绚丽的火花。”

来自材料领域的专家亦就相关议题进行了主题演讲和交流。同时,超材料电磁调制技术国家重点实验室学术委员会举行闭门会议,进行了2016年工作报告及审议实验室“十三五”研究规划等议题。

会议杂谈

关于超材料,一直众说纷纭,随着越来越多的中国科研人员加入了超材料的研究行列,我国在超材料领域的发展已步入正轨,先是界定了超材料这一译名(目前国际上已经接受了这种理解),然后确定了超材料的定义,接着发布了国家标准《电磁超材料术语》,光启也在致力于超材料产业化的实现,现在已有多款产品戳这里回顾下面世。

在《科技导报》对致力于推动中国超材料研究周济教授的采访中,就上述几点,周济教授做了详细解答。



1、究竟什么是超材料呢,您是如何接触到超材料相关研究并将之引入国内的?

周济超材料指的是通过人工设计基本功能基元实现超常性质的人工材料。也就是说,超材料是这样一类材料,他们有奇特的物理性质,而这些来自于其中的人工结构,而非构成它们的原材料。

首先说明一下,虽然说我们这个研究小组是在国内较早开展超材料研究的小组之一,说这个方向是我们引进的是不符合事实的,国内早起开展超材料研究的课题组有若干个。从我们这个组的情况看,从常规材料走向超材料有一定的必然性。我本人多年从事材料研究,在相当长的时间一直困扰于自然材料中复杂的结构及其相互影响对材料性能的制约,使得材料设计变得十分复杂而缺乏准确性。20世纪90年代起,我们就思考能否通过人工设计的功能单元重构材料来简化、纯化材料设计,以突破自然材料在设计和性能提高方面的困境。我们在国内较早开展光子晶体研究,这种材料通过光波长尺度的周期结构获得奇异的光学性质,以及晶格层次的人工设计,但同时也在思考如何能实现“人工原子”和“人工分子”。后来,人们提出了metamaterials的概念,我们感觉到与我们的思路不谋而合。但当时国外学术界对metamaterials 的理解还有点狭隘。因为早期开展这一工作的科学家主要是来自电子学、物理学、光学等领域,他们的着眼点是metamaterial 所带来的超常性能,他们沉浸于这种新性能所带来的兴奋,而较少去关注这种设计思想可能对材料科学带来的冲击。他们中很多人认为metamaterial指的就是左手材料,并不包括光子晶体等材料。

我们是较早进入这个领域的材料科学工作者,跟他们的视角有所不同,我们看到的是metamaterial这一新概念在材料设计的方法论意义,并大胆的将其译为“超材料”,这一概念具有更宽的内涵,目前国际上已经接受了我们这种理解,一个标志就是维基百科上对超材料定义的一次次更新,其范畴不断扩展,目前的定义基本上就是我们当初提出的定义。我们当时之所以将metamaterial译成“超材料”,一是参考了国外一些学者对这一名词含义的详细阐述,另外也为了凸显我们所认识到的这一概念的方法论价值。这个译法显得“很大”,也遇到了一些争议,但最终这个名词还是被接受了。当时国内也有一些相关的研究,如国际电磁科学院院长孔金瓯教授在浙江大学有一个课题组,专门开展metamaterial的研究,只是他们没有将其称为“超材料”,而称其为“异向介质”。所以说,超材料并非我们引进国内的,我们早期的贡献主要体现在通过对“超材料”这一概念的阐述并挖掘出它在材料科学方法论方面的意义和价值。


2、目前看来超材料是一个多学科充分交叉的学科,它的研究具体需要哪些学科的相互促进研究?

周济:超材料的确涉及了很多学科。过去一些年发展比较快的电磁超材料涉及了物理学、电子学、光学、材料学及化学等领域。随着超材料功能的拓展,一些新的超材料还涉及到了力学、数学、生物学等基础领域。从应用层面上看可能会涉及一些工程科学和技术领域。

我想特别强调超材料与材料科学的关系。超材料早期的发展跟材料科学的关系并没有像电子学和物理学那样密切,物理学家或电子科学家提出材料的设计思想,而材料科学所发挥的作用和化学相似,是一种工具,即如何实现人工结构的加工,涉及的问题是诸如纳米加工一类的工艺问题。但超材料发展到今天,情况应该有所变化。超材料研究最终目标是发展具有优异性能的材料,这正是材料科学家的梦想。只不过是材料研究的主流并不在这个路线上。我们注意到,一些顶级杂志(如《Science》)上发表的关于超材料的文章都归类到“材料科学”这个栏目之下,国内外一些科技计划中也都将超材料纳入到材料科学的范畴。这一转变意味着一个趋势,就是需要更多的懂材料的人将超材料引入到材料研究。超材料在研究方法和科学体系上看与常规材料科学的确有很大的不同,这种跨界研究目前还不多,这也是我们正在推进的一个方向。


3、目前相关领域的国内研究发展到了何种阶段?是否已经达到了国际领先水平?

周济:从基础研究看,中国的超材料研究有一些较有影响的工作。已故的孔金瓯教授当年是超材料领域最早的开拓者之一,近年来浙江大学、东南大学、南京大学、香港科技大学、复旦大学、同济大学、西北工业大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学及清华大学的一些研究组都有一些在国际上有影响的工作。在产业化方面,深圳光启研究院做得非常出色,成为国际上在超材料领域最大的知识产权拥有者。

从总体研究水平上看,我认为还不能说国内的研究水平在国际上领先,因为真正原创的思想和成果在国际上还不是最多的。在产业化方面,从规模和专利拥有上看,光启的确是走在世界前列。国外的超材料应用很大比重在军工上,具体情况尚不清楚。


4、中国领先其他国家首先发布了国家标准《电磁超材料术语》,其意义和影响有哪些?

周济:对术语进行规范十分重要,特别是对于超材料这样一个新的、广受关注的新领域。就连超材料的基本定义和范畴大家都有不同认识,就很难进一步开展研究、开发、立项等。就metamaterial 这个概念自身来说,到底是从结构上定义还是从功能上定义,国际上也有不同标准。过去人们一直认为只有通过人工结构才能实现诸如负折射这样的性质,后来我们在自然材料中发现了非正定介电常数和全角负折射,国外也有人跟进,仍把他们看成是metamaterials。更有人望文生义,甚至把石墨烯等天然材料都归类到超材料的范围,非常不严谨。因此,我们国家率先制定了这个标准,对规范社会对超材料的认识、对国际上这个学科的发展、以及提升我们国家在中国新学科的地位都很有意义。

当然,名词的标准还只是一个开始,我想更重要的是今后超材料产品的标准化,这对于今后相关高新技术产业的发展会有更重要的意义。


5、请您预测下超材料研究的未来发展方向?

周济:我想超材料研究未来的发展方向包括两个方面,一是奇异功能在众多领域的应用,产生为数众多的新器件和新技术,其中很多技术都是颠覆性技术,将对很多产业产生革命性的影响。

第二个方向是我更关注的方向,那就是超材料对材料科学和技术发展的深远影响。从材料科学的角度看,“超材料”的意义远远超越了几类新型人工材料,它提供了一种全新的材料获取方法,即针对需求进行逆向设计,通过构造“人工材料基因”来构建材料的功能。当代技术进步和经济发展越来越依赖材料性能的提高。而常规材料的性能主要取决于材料的自然结构,包括原子结构、电子结构、分子结构、化学键结构、晶体结构、晶粒-晶粒晶界结构等。随着材料科学和技术的进步,对这些结构操控能力逐渐增强,材料的性能不断提高,越来越趋近于材料的自然极限。因此,探索突破常规功能材料自然极限的新途径已成为材料科学发展中迫在眉睫的问题。而超材料的出现,则可能为解决这一问题打开大门,进而打破制约自然材料功能的极限,发展出自然材料所无法获得的新型功能材料,人类将可望成为材料的“造物主”。

 如果把目光放远点,我们可以看到在人类漫长的文明进程中,材料一直是重要的里程碑。人类因学会使用天然材料,实现了由猿到人飞跃,进入了旧石器时代;因学会加工材料而进入了新石器时代;因发明材料合成的方法而进入青铜器时代。今天,人类正在进入超材料时代,能自己创造材料,就能创造一个崭新的世界。

 部分资料转载自科技导报(ID:STReview),作者:周济 清华大学材料学院教授,编辑:田恬 科技导报编辑部编辑


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