具有特殊折射率分布的超材料可以引导光束绕过中心区域,从而使其对入射光不可见,这就是所谓的“隐身衣”。通过人工设计获得的超常性能的人工结构材料,其超常属性来源于所设计的结构,而并非构成结构的材料本征属性
——可以理解为:形式大于内容
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超材料——从工程化材料到工程材料丨中国工程院院刊
风云之声 2023-07-25 20:01 发表于安徽
以下文章来源于中国工程院院刊 ,作者《Engineering》

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■ 作者

John Pendry,周济,孙竞博
■ 来源
Metamaterials: From Engineered Materials to Engineering Materials [J]. Engineering,2022,17:1-2.
■ 编者按

作为材料科学领域前沿方向之一,超材料在过去20年中经历了蓬勃发展。时至今日,超材料已扩展到包括电磁学在内,覆盖光学、力学、热学和声学等多领域的一大类具有超常、高性能的人工材料系统。

伦敦帝国理工学院John Pendry教授,中国工程院院士、清华大学周济教授,在中国工程院院刊《Engineering》2022年第10期发表主编寄语《超材料——从工程化材料到工程材料》,指出超材料研究的重点逐渐从起初的新机理、新现象和新结构向针对实际应用的新特性和新功能倾斜,为解决工程技术中的诸多挑战提供新的解决方案。目前,超材料正在推动力学、声学和热力学等多个领域中的创新,开拓着整个物理领域的新边界。历经近20年的积淀,超材料的设计思想和制造技术得到了长足的发展和完善,这种新型工程材料将在工程领域发挥越来越重要的作用,极大地改变未来的世界。
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作为材料科学领域前沿方向之一,超材料在过去20年中经历了蓬勃发展。起初,这一领域主要是针对电磁学属性,通过人工设计获得的超常性能的人工结构材料,其超常属性来源于所设计的结构,而并非构成结构的材料本征属性。时至今日,超材料已扩展到包括电磁学在内,覆盖光学、力学、热学和声学等多领域的一大类具有超常、高性能的人工材料系统。超材料研究的重点逐渐从起初的新机理、新现象和新结构向针对实际应用的新特性和新功能倾斜,为解决工程技术中的诸多挑战提供新的解决方案。因此,超材料本身正在从研究型工程材料向应用型工程材料转变。

第一种超材料诞生于20世纪末,当时主要是通过人工设计获得一种具有负折射率的全新材料。英国著名物理学家、帝国理工学院的John Pendry爵士的两个具有里程碑性的重要理论工作是人类进行人工设计材料属性的开端:一是通过金属线的低等离子体频率实现有效的负介电常数;二是通过开口环谐振器模拟分子中的分子环流产生人工磁性获得等效负磁导率。这两项重要的研究成果为实现介电常数和磁导率为负值的负折射率铺平了道路,而在此基础上,最终发展成为一种材料学研究的全新理念,即通过基于人工设计的工程单元获得超越自然界的物理特性,在实现负折射现象的同时,也为人们提供了一种人工操控介电常数与磁导率的方法,进而带来了一系列具有超材料电磁属性的新材料。例如,负折射率超材料可以用作一个完美透镜,可以突破显微镜成像中的衍射极限。此外,具有特殊折射率分布的超材料可以引导光束绕过中心区域,从而使其对入射光不可见,这就是所谓的“隐身衣”。其他成果,如超材料完美吸波介质、零折射率材料和电磁诱导透明行为皆基于通过人工设计获得所需介电常数和磁导率而实现。这些工作均出现在超材料首次被提出后的十年期间。在那十年里,超材料在电磁学领域蓬勃发展,并扩展到光学领域。
随着这一新概念的成功,人们的眼光也不再局限于电磁学或光学中的超常属性。目前,超材料正在推动力学、声学和热力学等多个领域中的创新,开拓着整个物理领域的新边界。在过去20年的发展中,超材料的设计思想和制造技术得到了长足的发展。从科学的角度来看,超材料为物理学中新机制、新效应的研究提供了非常强有力的平台;从工程的角度来看,超材料俨然成为一种材料设计的新工具,随时等待着人们将其投入实际应用。今天,研究人员越来越关注如何通过超材料显著提升现有技术或发展出完全不同于传统观念的新技术。超材料这种工程化的材料正从科学研究向工程应用领域过渡。
微波超材料是目前最广泛研究的超材料,超材料概念的首次实现即在微波波段。许多新的电磁效应也多在微波段内得到首次证实,一方面可以获得高频下难以出现的材料特性,另一方面可以避免微纳加工中的复杂的加工制备问题。如今,微波超材料也是超材料家族中最接近工业应用的典型,尤其是在通信工程方面。在本期超材料专题中,我们带来了东南大学崔铁军院士团队设计的基于数字可重构天线阵列组成的信息超表面,该研究成果可以巧妙地实现数字编码,其所具有的一系列重要的特性贴近在雷达和无线通信系统中的实际应用。
在光学领域,纽约州立大学布法罗分校的Qiaoqiang Gan教授团队及其东北大学的合作者带来了一个巧妙的生物传感设计:一种基于等离子共振的超高分辨率超材料器件。在该设计中,来自等离子体沟槽结构的“彩虹”耦合用于实现光的极强色散响应。这种非常紧凑的设计可与芯片集成,展示了基于该机制用于肺癌诊断的外泌体表皮生长因子受体(EGFR)的高性能芯片尺寸传感器及其所表现出的优异性能。
光与物质的非线性相互作用一直是光学领域的一个重要热门话题。杜克大学的Litchinitser教授团队是研究光学非线性超材料的顶尖团队之一。在超材料专题中,Litchinitser教授对具有角动量或柱面矢量极化的结构光在饱和介质这种具有悬浮粒子的工程液体材料中的非线性效应研究进行了全方面的综述。饱和介质可模拟水下、雾、云或生物组织等混浊环境,其中的非线性效应涉及自聚焦、调制不稳定性和空间孤子的形成等,该方向的研究对于包括生物成像、水下应用和自由空间通信等多场景中的光学应用具有极其重要的指导意义。
与电磁波类似,声波是自然界的另一个普遍存在的现象,超材料在声学工程中也发挥着重要作用。专题收录的南京大学陈延峰教授团队的一篇展望系统论述了声学超材料在未来声学工程领域中的应用,如隔声、声学成像和隐身等,其中,部分研究成果近年来正在投入应用,不仅在空气中,而且包括水下,乃至人体等重要应用场景。
近年来,古老的折纸艺术在力学超材料领域中备受研究人员的关注,并激发出机械超材料方面的许多创新。牛津大学Zhong You教授团队的一篇研究论文介绍了一种可编程折纸超材料,刚性和非刚性折纸单元的组合搭配可以极大地提高超材料的机械性能。此外,通过使用镶嵌规则实现了超材料特性的可预测与可控性。文章中报道的超材料具有像素化形式,可编程,从而实现超材料力学性能的按需定制,因此对工程应用具有重要意义。
武汉理工大学张联盟院士团队的一篇综合综述论文概述了机械超材料的最新进展,包括刚性和强度材料以及具有各种拓扑结构的超材料的性能。该文建设性地讨论了当前面临的挑战,并介绍了增材制造技术在机械超材料领域中的广阔发展前景。
历经近20年的积淀,超材料设计思想和制造技术已相当完善。我们可以期待,这种新型工程材料将在工程领域发挥越来越重要的作用,极大地改变未来的世界。
改编原文:

John Pendry, Ji Zhou, Jingbo Sun. Metamaterials: From Engineered Materials to Engineering Materials [J]. Engineering,2022,17: 1‒2.
本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第10期。文章2023年7月10日发表于微信公众号 中国工程院院刊(超材料——从工程化材料到工程材料丨Engineering),风云之声获授权转载。

【宇宙究竟多老?最新估计267亿岁】科技日报讯 :目前最广泛接受的宇宙学模型指出,宇宙是从约138亿年前的一次大爆炸开始形成的。但加拿大科学家开展的一项新研究表明,宇宙的年龄可能为267亿岁,约为此前认为的两倍。该研究结论不仅挑战了主流宇宙学模型,也为所谓的“不可能的早期星系问题”提供了新的解决方案。相关论文刊发于最新一期《皇家天文学会月刊》。

多年来,科学家通过测量宇宙大爆炸以来时间的流逝,并根据来自遥远星系的光的红移研究最古老的恒星,以及对宇宙微波背景辐射和宇宙膨胀等现象的精密观测,估算出宇宙的年龄为137.97亿岁。

但是这一模型并不完美,它存在一些难以解释的矛盾和悖论。其中之一就是所谓的“不可能的早期星系问题”,即在宇宙形成后不久,就出现了一些非常大、非常亮、非常成熟的星系。例如,詹姆斯·韦布空间望远镜就发现了处于高级进化状态的早期星系。这些星系在大爆炸后仅3亿年左右就已经存在,其成熟度和质量似乎表明宇宙已经演化了数十亿年。此外,像“玛土撒拉星”这样的恒星似乎比宇宙还要古老。

研究人员引入了保罗·狄拉克假设的“耦合常数”的概念。耦合常数是控制粒子之间相互作用的基本物理常数,狄拉克认为这些常数可能随着时间的推移而变化。

如果允许这些常数发生变化,韦布望远镜在高红移下观测到的早期星系形成的时间框架可从数亿年延长到数十亿年,为其处于更高发展水平提供了更可行的解释。

韦伯望远镜发现漏洞,大爆炸理论错了?宇宙或诞生于267亿年前

根据科学界的主流观点,宇宙诞生于一次大爆炸,然后经过持续不断的膨胀,最终形成了我们现在所看到的这个宇宙,这被称之为宇宙大爆炸理论。研究表明,这场爆炸大约发生于138亿年前,也就是说宇宙诞生至今已经有138亿岁了。

那么宇宙的年龄是怎么得出来的呢?首先可以肯定一点,那就是宇宙正在持续不断的膨胀,这是经过很多次天文观测所证实的结论。既然宇宙是从一个很小的奇点逐渐膨胀成如今的模样,那么通过测量宇宙的膨胀率,就可以测算出宇宙的年龄。

宇宙的膨胀率就是哈勃定律中的哈勃常数。根据欧航局于2013年公布的由普朗克卫星测得的哈勃常数数值显示,那些遥远星系与我们的距离大约每增加326万光年,它们远离我们的速度就会增加67.8千米每秒。

发射2021年12月25日的韦伯望远镜被视为哈勃望远镜的继任者,其探测遥远暗淡天体的能力是哈勃望远镜的400倍,科学家们对它抱有了极大的期望,希望能够用它捕捉到宇宙诞生之后的第一缕光。

它的观测能力并没有让我们失望!詹姆斯韦伯太空望远镜的新发现,已经革新了我们此前对宇宙的部分认知。

据NASA此前公布的报告,韦伯望远镜在2023年2月观察到了6个不同寻常的星系,这些星系不仅质量十分庞大,并且位于130多亿光年外,即我们看到的是130多亿年前的宇宙,这表明它们在宇宙大爆炸发生后的约5亿至7亿年间就已经存在了。

这一发现可不得了!因为根据宇宙大爆炸理论,早期宇宙根本没有足够多的物质形成大型星系,那些大型星系要等到宇宙大爆炸发生的10亿年后才能形成。韦伯望远镜的新发现与宇宙大爆炸理论的预测不符,这6个遥远星系的年龄估计比此前测得的宇宙年龄138亿年还要大。如果宇宙诞生于138亿年前,那这些大型古老星系又是如何在短时间内形成的呢?

对于“不可能的早期星系”问题,如果韦伯望远镜的观测数据没有问题,那就只有两种解释,要么是宇宙不是诞生于大爆炸,要么就是宇宙的年龄被严重低估了。

难道大爆炸理论真的错了?对于一个正在加速膨胀的宇宙,大爆炸理论可以很好的解释许多问题,我们显然不能因为一点观测上与理论预测不符,就断然否定该理论。其实,这或许只是宇宙大爆炸理论还并不完善,该理论此前对早期宇宙的预测是不准确的,有待进一步的修正。

有些科学家认为,宇宙的年龄确实可能比我们现在所熟知的年龄还要大上许多。一项新的研究表明,宇宙的年龄可能高达267亿年,这几乎是公认宇宙年龄(138亿年)的两倍。

据这项新研究的作者拉金德拉·古普塔介绍,其建立了新的模型,该模型结合了兹威基的累光假说和狄拉克不断变化的耦合常数,从而对宇宙的年龄进行了修正,并对宇宙常数提出了新的解释。修正后的宇宙年龄高达267亿年,已经能够完全解释韦伯望远镜所观测到的处于高级演化状态的早期星系。

此前,科学家们是通过测量遥远星系的光谱红移量对哈勃常数进行精确测定,从而估算宇宙的年龄。累光假说则认为,红移不仅仅是宇宙膨胀导致的,还有可能是光经过漫长距离的传播能量衰减导致的,这意味着此前我们对宇宙膨胀速率的测定可能并不准确。此外,描述粒子间相互作用的耦合常数可能并不是固定的,这也会导致我们对宇宙年龄的计算出现较大的误差。

不过,这一研究结论是否正确,还有待观测证实,但有一点可以肯定,那就是宇宙年龄可能真的需要再进行修正,宇宙极有可能比人类此前估计的还要古老许多。

根据理论预测,可观测宇宙的直径大约有930亿光年,整个宇宙的直径估计已达一万亿光年以上。如果宇宙的年龄更为古老,那整个宇宙的直径估计还要增长数倍。

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