納米級微小粒子組成的超材料可以讓光線拐彎,繞過障礙物.被超材料包裹的人,怎樣在不被看到的情況下看到外面?美國的材料學(xué)家關(guān)于超材料的發(fā)現(xiàn)和中國物理學(xué)家的反隱形材料研究,讓隱形不再遙不可及.

皇帝的新裝被孩子的一句真話戳穿了:"他沒穿衣服!"這事如果發(fā)生在今天,也許會有人懷疑他是否穿的是隱身衣.傳說中的隱身衣總是這樣被使用:齊格弗里德靠它騙過凡人不可戰(zhàn)勝的女武神,而希臘英雄帕修斯則披著它躲過目光如炬的女妖斬殺了美杜莎.神話中依靠神奇的頭盔或者披風(fēng)隱匿形體斬除妖魔的英雄們,在都市傳說中搖身一變,成了依靠喝下特殊藥水讓身體透明的隱形人.在文學(xué)、電影的推動下,人類繼續(xù)著自遠古以來就有的夢想——似乎隱匿了軀體即可克敵制勝.

而現(xiàn)實中,最初人們從一些蜥蜴和昆蟲身上得到了仿生學(xué)的啟示,給士兵和武器涂上與環(huán)境相似的顏色以試圖欺騙敵人的眼睛.同時,材料科學(xué)的進步也讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),制造出能讓人穿著就可以從陽光下遁形的衣服,要遠比發(fā)明一種能同時把人體的蛋白質(zhì)、脂肪和碳化合物變透明的藥物來得現(xiàn)實.隱身衣也更體貼,穿一件即可隱形——即便喝了隱形藥水,還得脫光了會使你暴露的衣服,在風(fēng)里挨凍.

納米織造隱身衣

The Nano-Cloak

文/ 韓少華

隱形材料看到極微觀

用隱形技術(shù)制造武器也許是一件很可怕的事情,但是反隱形技術(shù)的起步則預(yù)示著對這種上古神話般超級武器的技術(shù)克制.但是回過頭來想一想,隱形技術(shù)在民用領(lǐng)域如果只能用來做隱身衣,那也實在大材小用.

隱形技術(shù)其實就是一種控制光線的技術(shù),充分利用這種技術(shù),可以制造出更細膩的光學(xué)儀器.事實上,現(xiàn)在的顯微鏡只能讓人看到單個的細胞,至于細胞里更小單位是如何運轉(zhuǎn)則無法用肉眼觀察.這是因為現(xiàn)在用天然材料制成的光學(xué)透鏡折射率為正,面臨著物理上的衍射極限,也就是說不管什么光線的最小的聚焦點都必須大于該光線的半個波長.然而反隱形技術(shù)所依賴的負折射材料甚至可以改變光線的線路,它可以幫助我們突破極限.目前中國已經(jīng)利用負折射材料制造出衍射極限低于30 納米的透鏡,而一般的透鏡的衍射極限是200 到300 納米.這意味著我們可以依靠它觀察到活細胞的內(nèi)部,研究病毒究竟是以怎樣的機制侵入細胞內(nèi)部,或者觀測藥品將是如何作用于細胞,甚至還能透過光學(xué)儀器親眼目睹DNA 的分裂和復(fù)制.

這樣在納米級控制光的行動的技術(shù)也可以延伸做光刻技術(shù),用來制造更小的集成電路器件.這將意味著人們可以制作出更小的芯片,而單位體積芯片的存儲能力、集成能力則會隨著體積的減小而加倍,芯片的容量將因此提高.

雖然,目前的技術(shù)能力尚不足以制作出精確控制光線的材料,而且能夠看到基因工作的顯微鏡也許要等到3~5 年之后才會面市,但是對于隱形技術(shù)和反隱形技術(shù)的研究競賽則必然會因為巨大軍事價值和經(jīng)濟利益而愈演愈烈.這不僅僅是做一件隱身衣那樣簡單的問題,神話中的齊格弗里德依靠隱身頭盔最終奪取了尼伯龍根的寶藏,這似乎也是在對現(xiàn)實世界的隱身技術(shù)作比喻.

隱形和反隱形

隱形材料一直沒有被發(fā)現(xiàn)過,直到沙拉耶夫用人造原子、中繼原子等工程學(xué)方法制造出超材料.這種超材料具有在三維空間整齊布陣的微小粒子,而且它們的尺寸達到了納米級,在掃描探針顯微鏡觀察下呈現(xiàn)出有序的微觀結(jié)構(gòu):"當微觀結(jié)構(gòu)的尺寸與光波的波長相當時,就能夠表現(xiàn)出某些光學(xué)和電磁學(xué)上的特異性.而我的材料結(jié)構(gòu)比光波波長還小."

事實上,普通的材料無論如何看似光滑,對于微粒子來說都好像雨點打在鳥巢體育場那樣大的粗糙核桃殼上一樣,總是會向各個角度產(chǎn)生反射.只有把結(jié)構(gòu)做到比光子還要小,才有可能做出足以讓光線如同激流經(jīng)過鵝卵石一般的流線體.沙拉耶夫正是這樣完成了他的隱身衣的材料.隨后,他依靠一排從中心點開始像一個圓形的梳子沿輪輻方向向外輻射的微型針,將光的折射和扭曲減少到幾乎為零,使得圍繞著隱身衣的光線發(fā)生彎曲,致使人們看不見斗篷.

2008 年10 月,沙拉耶夫在美國《科學(xué)》雜志上把隱身衣的秘密公諸于世,同時向人們宣布:"只有超材料才能織就隱身衣." 然而他志得意滿之際似乎忽略了一個事實:當隱身衣把他遮得嚴嚴實實的時候,他也成為一只被縫在布袋里的小白鼠.別人看不見他,而他也什么都看不見.除非他挖兩個洞露出眼睛,但是兩顆懸在空中眨巴眨巴的大眼睛也足夠把觀眾們驚倒了.現(xiàn)在,必須再給隱身衣設(shè)計一副配套的墨鏡,才能做到完全隱身.

如果說,讓人看不到墨鏡的里面就好比隱形技術(shù);那么,讓戴墨鏡的人能清楚地看到外面則可以稱為反隱形技術(shù).沙拉耶夫所沒有解決的反隱形技術(shù)其實早已開始被其他科學(xué)家關(guān)注.

2007 年11 月,上海交大的陳煥陽博士在美國《應(yīng)用物理快報》上公布了他對抗隱形技術(shù)的研究結(jié)構(gòu).他和同事們設(shè)計出一種光學(xué)屬性與那些隱形斗篷完美匹配的材料:"用術(shù)語來說,就是一種各向異性負折射率材料,它的阻抗與隱形斗篷的正折射率相匹配." 事實上,它的原理有點像是給手槍裝上消音器:用相同頻率的聲波的波峰來填補所發(fā)出的聲音的波谷,最終完全抵消空氣振動.其實,沙拉耶夫只要將這樣的反隱形材料貼在隱身衣上,就可以讓一些光線按照指定的路徑滲透進來,從而部分抵消隱身衣的效應(yīng).

陳煥陽和同事們研究的反隱形技術(shù)在隱身衣內(nèi)產(chǎn)生了破壞隱身性能的效果,這已經(jīng)初步解決了隱身衣內(nèi)外之間無法通訊的問題.事實上,陳煥陽也同時在進行著隱形技術(shù)的研究,只不過不是為了做衣服.在他的設(shè)想中,可以利用隱形技術(shù)做出一道隱藏之門的設(shè)計:用隱形技術(shù)制作的材料置于大門的中間,就能讓門看上去像是和周圍的墻一樣;而在門內(nèi)的人則能夠通過反隱形技術(shù)觀察到外面的人的一舉一動.這項技術(shù)也許將被開發(fā)于軍事領(lǐng)域,難怪美國前駐華武官在美《防務(wù)新聞》網(wǎng)站上援引此例驚呼未來中國將對美國的隱形武器構(gòu)成巨大威脅.

超材料的隱形把戲

弗拉吉米爾?沙拉耶夫(造出了隱身衣.他不會魔術(shù),也不懂魔法,身為美國印地安那州普渡大學(xué)的材料學(xué)專家,他通曉材料反射光線的秘密:"假如一樣?xùn)|西反射的光線根本沒有到達你的眼睛會怎樣?就跟你背對著它一樣吧."但是我們都知道怎樣看見背對著的東西——只要有一面鏡子幫助光線反射到我們的眼睛就成."不過,即使你面對隱身斗篷,你還是看不見它.不僅如此,你會看到本應(yīng)被它阻擋的東西.因為只要沒有光從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"隱身衣"的.東京大學(xué)的田智前教授曾經(jīng)依靠6 臺1160 萬像素的攝像機展示過一款"隱身衣":衣服后面的場景被這些攝像機拍攝下來,隨后經(jīng)過一臺性能極強的計算機的處理,然后再投射到由一個非常明亮的電子顯示器制成的衣料上.而俄羅斯烏里揚諾夫斯克州立大學(xué)的奧萊格?加多姆斯基教授則是依靠黃金膠體粒子吸收了大量光子.這副名副其實的"黃金甲"基于銳減散射光的原理,事實上是把物體遮起來了,把一個黃金人變成黑衣人.

魔法師能隱形,因為根據(jù)傳說他根本就可以讓物體消失,看的人最后沒得可看.魔術(shù)師把艾菲爾鐵塔變成隱形,依靠的則是"把戲"——看臺旋轉(zhuǎn)了半圈,觀眾們最后看到的根本就不是鐵塔的方向.而材料學(xué)家沙拉耶夫既沒有玩把戲也沒有玩消失,他只是成功地讓光線拐了一個彎.

所謂"超材料"就是超出自然界固有的普通性質(zhì),具有超常材料功能的人工復(fù)合材料.它們并不存在于自然界,而是完全由科學(xué)家們在實驗室研制出來.因此,科學(xué)家們盡可能根據(jù)需要賦予它們天然材料所不具備的超常物理性質(zhì),最終突破某些自然規(guī)律表現(xiàn)的限制.事實上,在自然界中確實存在著讓光反射異常的材料.例如天然蛋白石就因其具有不完全光子帶隙結(jié)構(gòu)而有著強烈的反光,并且向不同的角度發(fā)射出不同的顏色光彩.這種光子帶隙結(jié)構(gòu)在蝴蝶翅膀、孔雀羽毛以及海老鼠的毛也存在,正是它們使本來無色的生物體由于結(jié)構(gòu)的發(fā)光而呈現(xiàn)出閃爍斑斕的色彩.

本文關(guān)鍵詞:納米,材料,隱形衣,顯微鏡

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