华裔科学家找到3D打印可隐形超材料的方法

霍元真

隐形，从古至今一直是人们向往的神奇力量之一，迄今为止还只能在科幻、魔法、神话之类的文学作品中出现。不过如今科学家在开发的3d打印技术正将这种梦幻的想法一步步推向现实。事实上，根据华裔科学家辛皓的说法，在 ...
隐形，从古至今一直是人们向往的神奇力量之一，迄今为止还只能在科幻、魔法、神话之类的文学作品中出现。不过如今科学家在开发的3D打印技术正将这种梦幻的想法一步步推向现实。事实上，根据华裔科学家辛皓的说法，在我们的有生之年可能会看到类似《哈利波特》中隐身斗篷的技术在军用飞机，甚至是人身上使用。



辛皓先生是亚利桑那大学的电气与计算机工程教授，他一直在从事超材料（metamaterials）制造方面的研究。所谓超材料，是指拥有自然界并不存在的性能的合成材料，比如弯曲电磁波、声波和其他类型的能力波等。与其合作研究者一起，辛皓发现了一种使用金属、塑料和其它物质3D打印超材料的方法。使用这种方法3D打印出来的超材料具有一种奇特的“负折射”的特性，也就意味着这种材料可以实际上使光波倒退。

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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，结果就会出现负折射现象：周边的能量波出现非自然的弯曲，也就是我们常说的隐形、幻觉等。


亚利桑那大学提供的一个比较直观的例子是想象一根稻草插在一杯水里面。在正常的折射率条件下，您看到的秸秆会在水面之下稍微弯曲（见下图）。而现在，如果这杯水有负折射的特性，那您看到的秸秆就会像下面这样，甚至最终消失。在未来，用同样的技术可以制作出隐形斗篷（使用人工设计折射性的材料），当人穿上后能够弯曲他们周围的光，甚至让您身体的某一部分变得不可见。



其实，弯曲光线的做法已经提出很多年，但就目前的技术条件来说，仍然有一小部分的光不可避免地出现反射，这意味着该对象还无法做到完全隐形。事实上，目前的设计往往会吸引更多注意的目光，因为这种设计的外形看上去非常奇怪。“当前超材料面临的一个最大的问题是它们会造成能量损失，也就是说光波通过这种人造材料后会出现衰减。”辛皓教授说。

为了解决这个问题，研究小组发现了一种方法，可以将电池供电的隧道二极管以及微纳米制造技术融入设计中。“我们已经设计了一种超材料，其保持负折射，但不会减少能量。”事实上，这种3D打印的装置，不仅防止能量损失，还能在它穿过材料时通过微波强化导致能量增益。“很多人不认为能够在负折射的条件下还能实现能量增益。”辛皓说。


辛皓教授

辛皓的这项研究成果已经发表在在线杂志《 Nature Communications》上，论文标题为《微波增益介质与负折射率（Microwave Gain Medium with Negative Refractive Index）》。据南极熊3D打印网了解，该研究得到了美国空军科学研究办公室（AFOSR）的资助，显然，这项技术在军事上有着广泛的用途。比如如果这项技术成熟的话，将其用在军用飞机上，无论是视觉上还是雷达上您都无法看到它。

当然，这项技术在军用之外还有很多其它的应用。辛皓教授对于微波频率的研究也可以用于光学、声学和其他类型的辐射波，使得工程师能够改进显微镜，使他们能看到最微小、最精确的细节，例如单个的蛋白质和病毒。



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