在科幻電影中，那些具有超強本領的人被稱為“超人”；在現(xiàn)實生活中，那些具有超強計算和處理能力的計算機被稱為“超算”……
在五花八門的材料世界里，也有一種物理性質“超?！钡奶厥獠牧?，叫做“超材料”。這種材料在自然界并不存在，是本世紀才出現(xiàn)的一種具有特殊性質的人造材料。它通過對某種材料的再加工，并在其表面或內部設計出特殊幾何結構或排列方式，使其擁有天然材料所不具備的特殊性質。天然材料的性質是由其成分來決定的，超材料的“超常”性質則源自其后天的結構。
隨著科技的進步，在超材料基礎上還發(fā)展出數字超材料，或者叫數碼編程設計的超材料。這是一種通過特定設計、打破傳統(tǒng)規(guī)則結構、擁有奇異光學及聲學特性的超材料。有了它，科幻乃至魔幻電影中的“隱身斗篷”“超級透鏡”等奇思妙想也將加速變?yōu)楝F(xiàn)實，人們的生活將會因此而發(fā)生重大的改變。
“反?！币蓡?，催生新奇材料
原本自然界中不存在的超材料，是如何“無中生有”孕育出來的呢？
1968年，蘇聯(lián)理論物理學家菲斯拉格發(fā)現(xiàn)，光束由空氣中斜射進入水中，入射光與折射光位居法線兩側。于是，他突發(fā)奇想：是否還有另一種介質，與上述現(xiàn)象相反，能讓入射光與折射光位居法線同側呢？
菲斯拉格的這個“反?！币蓡?，并非異想天開。從理論上講，人們只需找到一種同時具有負介電常數和負磁導率材料，就能出現(xiàn)這一“反?！蔽锢憩F(xiàn)象。只是當時沒有開展實驗驗證，加之功能材料尚處于發(fā)展初期，菲斯拉格的這個大膽的科學猜想并未引起重視。
幸運的是，隨著人們對電磁理論的深入理解和微納加工工藝的快速發(fā)展，一種在微納尺度上擁有周期結構的人造器件誕生了。它不僅在實驗上實現(xiàn)了負介電常數、負磁導率等一切理論預言，更是讓人們深刻地理解到：通過在多種物理結構上的設計，人們可以突破自然規(guī)律的限制，獲得超常功能的“新物質”，即具有奇異功能的超材料。
超材料是材料設計思想上的一個跨越式重大創(chuàng)新，被譽為本世紀前10年的10項重要科學進展之一，已成為發(fā)掘材料新功能、引領產業(yè)新方向、突破稀缺資源瓶頸的有力手段。
創(chuàng)新永無止境。超材料方興未艾，數字超材料又應運而生。2014年，我國東南大學研究團隊首先提出了數碼、電磁可編程的數字超材料概念。與擁有周期排布結構的超材料不同，它由若干個單元按照編碼的方式排布，就好比給材料注入了活的“基因”，可由人們進行調控。而這些新型材料將會忠實地聽從“指示”，實現(xiàn)所需的各種奇異功能。
超級“另類”，性能獨樹一幟
數字超材料的出現(xiàn)，實際上是現(xiàn)代信息工業(yè)與前沿物理領域相互結合的產物，它將“編碼思維”融入了新型超材料的設計過程。在數字超材料中，不同的編碼會帶來不同的電磁響應，加之它又融入“材料基因”和“信息比特”的概念，數字超材料自然成了材料領域的超級“另類”，擁有了與眾不同、獨樹一幟的性質和功能：
——結構新奇，顛覆認知。數字超材料結構超級“另類”，它既不同于天然材料依靠原子或分子結構來實現(xiàn)功能，又不同于傳統(tǒng)超材料擁有規(guī)則的人工單元結構，而是完全采用數字編碼的方式，憑借微納加工技術注入的“材料基因”而擁有超常物理性質和“超能力”，其全新、奇異的結構完全顛覆了人們對物質構成的認知。目前，科學家們已經研制出具備自我修復能力的仿生塑料、將熱電轉化為可用電力的熱電材料等“黑科技”產品。
——逆向設計，按需定制。數字超材料采用數字編碼的方式設計，擁有十分廣闊的設計自由度，可根據不同應用需求來實現(xiàn)“按需定制”。而基于“數字”的可編碼特性，又能突破傳統(tǒng)材料“正向求解”的設計方法，即根據各種約束條件，“從后向前”進行“逆向設計”，從而可有效解決傳統(tǒng)設計中存在的限制和缺點。
——數字編碼，實時可控。與傳統(tǒng)的超材料相比，數字超材料的每個人工單元，可簡化為“0”和“1”兩種狀態(tài)，通過調節(jié)“0”“1”兩種單元的排列和組合，構建不同性質的組合單元，進而組裝成整個材料，實現(xiàn)特定的功能。用“數字化”方式表征超材料物理特性，極大簡化了超材料的設計流程，提高了材料設計的靈活度，擴大了對材料性質的調控范圍。若將可編程門陣列控制系統(tǒng)加載在結構單元上，還可實現(xiàn)對數字超材料物理功能的實時控制。
軍事應用，助推轉型升級
超材料特別是數字超材料技術，是國際上重點關注的戰(zhàn)略前沿技術，它為新一代信息技術、國防工業(yè)、新能源技術等領域帶來了深刻變革。主要發(fā)達國家將其列為“六大顛覆性基礎研究領域”之一，紛紛開展研發(fā)與應用。
隨著高性能計算和微納加工工藝的快速發(fā)展，數字超材料所展現(xiàn)的超常物理特性將帶動航空航天、新型裝備制造、人工智能等眾多領域的突破性發(fā)展，應用范圍將拓展到國民經濟和國防建設各個方面。
在軍事領域，數字超材料也顯示出了廣闊的應用前景：
——超材料天線可實現(xiàn)對電磁波調整接收和自動校準功能，拓展天線工作帶寬、降低能耗，有效增強天線的聚焦性和方向性，從而提高移動通信容量和高速通信能力，提升軍隊信息化作戰(zhàn)水平。
——利用數字電磁超材料對電磁波的實時調控能力，能實現(xiàn)戰(zhàn)機、艦艇等武器裝備的全天候、多氣候條件下的電磁隱身、熱隱身、光隱身和聲隱身，增強其生存、突防能力。
——運用數字超材料制作的傳感器，具有探測靈敏度高、戰(zhàn)場適應性強、柔軟性好等優(yōu)勢，將其用于下一代智能探測裝置，可使武器裝備擁有感應更加靈敏的“器官”和“皮膚”，優(yōu)化并升級作戰(zhàn)性能。
此外，數字超材料還在智能穿戴、偵察、高性能全光計算等領域也展現(xiàn)出廣闊的應用前景，可為促進武器裝備和部隊訓練的轉型升級提供技術支撐。
上圖為基于數字超材料的波長分束器示意圖。