超材料︰會改寫未來戰爭嗎?

來源︰中國軍網作者︰許凡 李東海責任編輯︰任爽
2018-10-18 09:40

超材料︰會改寫未來戰爭嗎?

■許凡 李東海

超越天然材料的新型材料

作為人類社會發展的物質基礎,材料是國防工業和經濟發展必不可少的重要內容。目前,傳統高性能材料越來越依賴各類稀缺資源,人們想在自然界中找尋具有超物理特性天然材料的嘗試也一直收效甚微,必須另闢蹊徑探尋超越常規材料性能極限的新型材料。直到21世紀初,美國研究人員才首次在實驗室中利用微波技術發現了“隱身衣”的蛛絲馬跡,也由此宣告了超材料的誕生。

作為當今世界材料學領域的熱門詞匯,其中的“超”就表示“超出、另類”的意思。超材料,主要指擁有天然材料所不具備的超常屬性的人工復合材料,能實現天然材料望塵莫及的彎曲、散射或傳輸電磁波等特殊性能。超材料的發現使人們認識到,可對現有材料通過人工構建不同“模塊”,形成超越天然材料的新型材料。超材料也因此被譽為“一種由材料組成的‘材料’”。

事實上,研制超材料就是按照特定的規則組合,搭配出不同電磁響應屬性的人工復合材料。這些材料的屬性除由材料本身決定外,還與其結構的形狀、尺寸、排列和組合方式等緊密相關。通過改變超材料關鍵位置的結構和尺寸,人們就可以像搭積木一般實現對光波、雷達波、無線電波、聲波乃至地震波的任意彎曲和精細“裁減”。研究人員還借助超材料薄層能讓光線繞過物體的屬性,開始研究使物體無影無蹤的“隱身斗篷”。

目前,超材料最引人關注的屬性包括負折射率、逆多普勒效應、超常電磁特性以及超分辨率成像等。也正是這些獨具一格的物理特性,使得超材料的應用前景覆蓋了基礎工業、國防軍事以及經濟社會發展的方方面面。以具有超常電磁特性的電磁超材料為例,目前就已經在通信、制造、隱身、探測、核磁、太陽能以及微波利用等領域產生了深遠影響。

光天化日之下消失于無形

這將會是發生在未來戰場上的一幕。戰斗打響後,駕駛隱形車、身披隱身衣的一方,在敵人看不到自己時卻對戰場態勢“洞若觀火”,戰爭勝敗的天平也自然會向擁有“隱身斗篷”的一方傾斜。

近年來,能用作“隱身衣”的超材料得到各軍事大國的競相研發投入,力圖實現戰場上的“單向透明”。

與以往人們希望在夜空或深海中悄然藏匿所不同,超材料就是一種讓任何物體在光天化日之下消失于無形的“魔法術”。目前,研究人員已經通過網格狀金屬合金超材料研制出一種“隱身斗篷”,能捕獲、存儲或操控光線。近年來,人們還制造出了紙片厚度的超材料薄片,把“隱身斗篷”穿到身上或許只是時間問題。

正是意識到超材料廣泛的應用前景,以美國為首的西方國家相繼投入巨資用于這一重要戰略前沿技術研究。美國空軍科學研究辦公室和美國國防部高級研究計劃局也相繼開展超材料技術研究,美國陸軍還專門研究了在特定電磁頻譜波段具有光譜選擇性的新型等離子體隱身超材料。

英特爾、AMD和IBM等6家美國半導體公司還專門成立了資助超材料研究的聯合基金,包括波音公司、洛克希德•馬丁公司和BAE系統公司等軍工巨頭也不甘在超材料研究中掉隊。據統計,美國軍方共支持了超過100家企業開展超材料應用研究,領域涵蓋雷達、導彈天線罩、吸波材料、電子干擾箔條、通信天線和隱身技術等。

除軍事應用外,荷蘭研究人員已經利用超材料研制出一款可編程的智能橡膠,未來人們將有望穿上根據地面軟硬度自動進行調節的鞋子。法國科學家還希望通過對超材料牆壁和地面精確打孔來轉移地震波,進而實現防震減災。

此外,超材料還被廣泛應用于生物成像、生化探測、癌癥治療等領域。電磁超材料太陽能電池將進一步提高光電轉換效率,人們還研制出了一款可在任何地方連接衛星網絡的電磁超材料可折疊天線。

將在軍事領域“大顯神通”

正所謂“一代材料,一代裝備”。新型材料的誕生與發展,必然會推動武器裝備和作戰樣式出現重大變革。

超材料技術雖然發展時間不長,但由于可使武器裝備獲得壓倒性的不對稱戰略優勢,早已得到具體應用。與常規材料相比,超材料具備新奇人工結構、超常規物理屬性和“按需定制”設計思路等基本特征。這些擁有巨大應用潛力和廣闊發展空間的超材料,也將在未來軍事應用中“大顯神通”。美國F-35戰斗機、B-2轟戰機以及DDG-1000濱海戰斗艦上都應用有超材料技術。

隱身一直是超材料“出鏡率”最高的應用方向,主要包括聲波隱身、光波隱身、電磁波隱身和觸覺隱身等。2014年,美國研究人員研制出一款三維聲波“隱身斗篷”。這種聲波隱身裝置利用超材料,使得入射聲波沿“斗篷”表面傳播而不發生反射或透射,未來有望應用于主動聲吶對抗。此外,美國海軍還開發出一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術,就是在潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料中加入超材料,實現對聲波傳輸的引導,有可能改寫未來水下戰場的“游戲規則”。

在光波隱身領域,加拿大研究人員曾研制出一款名為“量子隱身”的超材料,能通過使周圍光線折射彎曲來實現隱身效果。這種隱身超材料不僅能“騙”過人的肉眼,遇到軍用夜視儀、紅外探測器等先進技術裝備也一樣可以成功“脫身”。這種光波隱身材料不僅可用于地面部隊晝間突襲,還可應用于新一代隱形戰機、艦艇和坦克。此外,研究人員還利用機械超材料實現了可屏蔽觸覺的“隱身斗篷”,即便是用手觸摸都無法感覺到突出物體的存在,或將在未來軍事應用中開闢出一番新天地。

天線與天線罩也是超材料的另一“用武之地”。應用在導彈、雷達和航天器天線上的超材料,能大幅度降低天線能耗,拓展工作帶寬,還將增強天線的聚焦性和方向性。美軍新一代E-2“鷹眼”預警機就通過采用超材料大幅提升了雷達探測能力,美國雷神公司還專門為導彈研制了超材料天線罩,能使穿過導彈天線罩的電磁波不產生折射,進而提升導彈的打擊精度。

此外,科研人員試圖研制一種通信用超材料平面天線,在提升無人機通信性能的同時進一步減少天線數量,或將帶來天線設計的劃時代變革。

(解放軍報•解放軍新聞傳播中心融媒體出品)

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