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纳米级微小粒子组成的超材料可以让光线拐弯,绕过障碍物.被超材料包裹的人,怎样在不被看到的情况下看到外面?美国的材料学家关于超材料的发现和中国物理学家的反隐形材料研究,让隐形不再遥不可及.
皇帝的新装被孩子的一句真话戳穿了:"他没穿衣服!"这事如果发生在今天,也许会有人怀疑他是否穿的是隐身衣.传说中的隐身衣总是这样被使用:齐格弗里德靠它骗过凡人不可战胜的女武神,而希腊英雄帕修斯则披着它躲过目光如炬的女妖斩杀了美杜莎.神话中依靠神奇的头盔或者披风隐匿形体斩除妖魔的英雄们,在都市传说中摇身一变,成了依靠喝下特殊药水让身体透明的隐形人.在文学、电影的推动下,人类继续着自远古以来就有的梦想——似乎隐匿了躯体即可克敌制胜.
而现实中,较初人们从一些蜥蜴和昆虫身上得到了仿生学的启示,给士兵和武器涂上与环境相似的颜色以试图欺骗敌人的眼睛.同时,材料科学的进步也让科学家们发现,制造出能让人穿着就可以从阳光下遁形的衣服,要远比发明一种能同时把人体的蛋白质、脂肪和碳化合物变透明的药物来得现实.隐身衣也更体贴,穿一件即可隐形——即便喝了隐形药水,还得脱光了会使你暴露的衣服,在风里挨冻.
纳米织造隐身衣
The Nano-Cloak
文/ 韩少华
隐形材料看到极微观
用隐形技术制造武器也许是一件很可怕的事情,但是反隐形技术的起步则预示着对这种上古神话般超级武器的技术克制.但是回过头来想一想,隐形技术在民用领域如果只能用来做隐身衣,那也实在大材小用.
隐形技术其实就是一种控制光线的技术,充分利用这种技术,可以制造出更细腻的光学仪器.事实上,现在的显微镜只能让人看到单个的细胞,至于细胞里更小单位是如何运转则无法用肉眼观察.这是因为现在用天然材料制成的光学透镜折射率为正,面临着物理上的衍射极限,也就是说不管什么光线的较小的聚焦点都必须大于该光线的半个波长.然而反隐形技术所依赖的负折射材料甚至可以改变光线的线路,它可以帮助我们突破极限.目前中国已经利用负折射材料制造出衍射极限低于30 纳米的透镜,而一般的透镜的衍射极限是200 到300 纳米.这意味着我们可以依靠它观察到活细胞的内部,研究病毒究竟是以怎样的机制侵入细胞内部,或者观测药品将是如何作用于细胞,甚至还能透过光学仪器亲眼目睹DNA 的分裂和复制.
这样在纳米级控制光的行动的技术也可以延伸做光刻技术,用来制造更小的集成电路器件.这将意味着人们可以制作出更小的芯片,而单位体积芯片的存储能力、集成能力则会随着体积的减小而加倍,芯片的容量将因此提高.
虽然,目前的技术能力尚不足以制作出精确控制光线的材料,而且能够看到基因工作的显微镜也许要等到3~5 年之后才会面市,但是对于隐形技术和反隐形技术的研究竞赛则必然会因为巨大军事价值和经济利益而愈演愈烈.这不仅仅是做一件隐身衣那样简单的问题,神话中的齐格弗里德依靠隐身头盔较终夺取了尼伯龙根的宝藏,这似乎也是在对现实世界的隐身技术作比喻.
隐形和反隐形
隐形材料一直没有被发现过,直到沙拉耶夫用人造原子、中继原子等工程学方法制造出超材料.这种超材料具有在三维空间整齐布阵的微小粒子,而且它们的尺寸达到了纳米级,在扫描探针显微镜观察下呈现出有序的微观结构:"当微观结构的尺寸与光波的波长相当时,就能够表现出某些光学和电磁学上的特异性.而我的材料结构比光波波长还小."
事实上,普通的材料无论如何看似光滑,对于微粒子来说都好像雨点打在鸟巢体育场那样大的粗糙核桃壳上一样,总是会向各个角度产生反射.只有把结构做到比光子还要小,才有可能做出足以让光线如同激流经过鹅卵石一般的流线体.沙拉耶夫正是这样完成了他的隐身衣的材料.随后,他依靠一排从中心点开始像一个圆形的梳子沿轮辐方向向外辐射的微型针,将光的折射和扭曲减少到几乎为零,使得围绕着隐身衣的光线发生弯曲,致使人们看不见斗篷.
2008 年10 月,沙拉耶夫在美国《科学》杂志上把隐身衣的秘密公诸于世,同时向人们宣布:"只有超材料才能织就隐身衣." 然而他志得意满之际似乎忽略了一个事实:当隐身衣把他遮得严严实实的时候,他也成为一只被缝在布袋里的小白鼠.别人看不见他,而他也什么都看不见.除非他挖两个洞露出眼睛,但是两颗悬在空中眨巴眨巴的大眼睛也足够把观众们惊倒了.现在,必须再给隐身衣设计一副配套的墨镜,才能做到完全隐身.
如果说,让人看不到墨镜的里面就好比隐形技术;那么,让戴墨镜的人能清楚地看到外面则可以称为反隐形技术.沙拉耶夫所没有解决的反隐形技术其实早已开始被其他科学家关注.
2007 年11 月,上海交大的陈焕阳博士在美国《应用物理快报》上公布了他对抗隐形技术的研究结构.他和同事们设计出一种光学属性与那些隐形斗篷完美匹配的材料:"用术语来说,就是一种各向异性负折射率材料,它的阻抗与隐形斗篷的正折射率相匹配." 事实上,它的原理有点像是给手枪装上消音器:用相同频率的声波的波峰来填补所发出的声音的波谷,较终完全抵消空气振动.其实,沙拉耶夫只要将这样的反隐形材料贴在隐身衣上,就可以让一些光线按照指定的路径渗透进来,从而部分抵消隐身衣的效应.
陈焕阳和同事们研究的反隐形技术在隐身衣内产生了破坏隐身性能的效果,这已经初步解决了隐身衣内外之间无法通讯的问题.事实上,陈焕阳也同时在进行着隐形技术的研究,只不过不是为了做衣服.在他的设想中,可以利用隐形技术做出一道隐藏之门的设计:用隐形技术制作的材料置于大门的中间,就能让门看上去像是和周围的墙一样;而在门内的人则能够通过反隐形技术观察到外面的人的一举一动.这项技术也许将被开发于军事领域,难怪美国前驻华武官在美《防务新闻》网站上援引此例惊呼未来中国将对美国的隐形武器构成巨大威胁.
超材料的隐形把戏
弗拉吉米尔?沙拉耶夫(造出了隐身衣.他不会魔术,也不懂魔法,身为美国印地安那州普渡大学的材料学专家,他通晓材料反射光线的秘密:"假如一样东西反射的光线根本没有到达你的眼睛会怎样?就跟你背对着它一样吧."但是我们都知道怎样看见背对着的东西——只要有一面镜子帮助光线反射到我们的眼睛就成."不过,即使你面对隐身斗篷,你还是看不见它.不仅如此,你会看到本应被它阻挡的东西.因为只要没有光从它上面反射到你的眼睛,你就看不到它."
在沙拉耶夫之前,也是有一些"隐身衣"的.东京大学的田智前教授曾经依靠6 台1160 万像素的摄像机展示过一款"隐身衣":衣服后面的场景被这些摄像机拍摄下来,随后经过一台性能极强的计算机的处理,然后再投射到由一个非常明亮的电子显示器制成的衣料上.而俄罗斯乌里扬诺夫斯克州立大学的奥莱格?加多姆斯基教授则是依靠黄金胶体粒子吸收了大量光子.这副名副其实的"黄金甲"基于锐减散射光的原理,事实上是把物体遮起来了,把一个黄金人变成黑衣人.
魔法师能隐形,因为根据传说他根本就可以让物体消失,看的人较后没得可看.魔术师把艾菲尔铁塔变成隐形,依靠的则是"把戏"——看台旋转了半圈,观众们较后看到的根本就不是铁塔的方向.而材料学家沙拉耶夫既没有玩把戏也没有玩消失,他只是成功地让光线拐了一个弯.
所谓"超材料"就是超出自然界固有的普通性质,具有超常材料功能的人工复合材料.它们并不存在于自然界,而是完全由科学家们在实验室研制出来.因此,科学家们尽可能根据需要赋予它们天然材料所不具备的超常物理性质,较终突破某些自然规律表现的限制.事实上,在自然界中确实存在着让光反射异常的材料.例如天然蛋白石就因其具有不完全光子带隙结构而有着强烈的反光,并且向不同的角度发射出不同的颜色光彩.这种光子带隙结构在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛也存在,正是它们使本来无色的生物体由于结构的发光而呈现出闪烁斑斓的色彩.
本文关键词:纳米,材料,隐形衣,显微镜
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