周濟：超材料正在重構世界 | 2024科創大會

2024年12月12日，由南方周末主辦的第四屆科創大會于北京舉辦，探尋科創在不同行業、企業的發展脈絡，為中國經濟和社會發展提供動能?！翱苿摯髸眲摿⒂?021年，隸屬于南方周末年度盛典系列活動，每年發布年度科創力評價榜單與前瞻科創研究、匯集業內專家觀點、揭示企業科創風向。

在大會現場，中國國際科技促進會副會長、中國工程院院士、清華大學材料學院教授周濟以《超材料：重構世界，智啟未來》為主題發表演講。

以下為演講實錄，略有刪節（本文標題、小標題為編者所加）。

▲周濟（中國國際科技促進會副會長、中國工程院院士、清華大學材料學院教授）

新一輪科技革命和產業變革催生了許多深刻改變人類未來的新技術，如在信息科學和信息技術基礎上產生了人工智能、在物質科學和材料技術領域產生了超材料。

超材料起源

20世紀中葉，美國著名科學家理查德·費曼曾說過這樣一句話，“如果在某次大災難中，所有的科學知識都將被毀滅，只有一句話能夠傳給下一代，那么怎樣的說法能夠以最少的詞匯包含最多的信息呢？我相信那就是原子假說?！?/p>

原子假說并不是近現代科技發展中的一個重大突破，而是原始的、基本的對世界的判斷，來源于古希臘哲學家德謨克利特，他認為世間萬物任何一種物質的性質都來源于一個基本的單元“原子”。

18、19世紀科技革命產生了很多新的知識，英國科學家道爾頓重新定義了原子，即門捷列夫周期表中給出的180多個元素的基本單元。

但我們站在今天科學的角度看，其實原子既不是構成世界的基本單元，也不是決定物質性質的唯一單元。因為原子內部還有電子、原子核，原子核里有質子、中子，而決定物質性質的，除了原子，還可能是分子，也可能是化學鍵或者是晶粒、晶界等更大的結構，也可能是電子、電子的軌道自旋等更小的結構。從這個角度看，相當于道爾頓的原子，德謨克利特的原子是一種廣義的原子。而物質的不同性質，可能決定于不同的“廣義原子”。

這就帶來一個問題，我們人類能否制造出一些人造的“廣義原子”，再用這些“廣義原子”重新構造一些物質？

答案是肯定的，重新構造的物質就是“超材料（Metamaterial）”。超材料指的是通過設計獲得的、具有自然材料不具備的超常物理性能的人工材料，其材料性質主要來源于人工結構而非構成其結構的材料組分。

下面給大家舉一個例子。

上世紀60年代，前蘇聯科學家韋塞拉格提出一個思想實驗，當某種物質同時具有負的介電常數和負的磁導率的時候，會產生一系列奇異的性質，如負折射、逆行波、無像差成像、反常多普勒效應等新奇現象。但作為一個常識，物質的介電常數和磁導率都是正的。所以大家覺得這也就是一個科學幻想而已，并沒有人關注。

直到20世紀90年代，英國科學家潘德瑞提出了一種產生負的介電常數和磁導率的可能性，就是通過電和磁的諧振單元在諧振頻率附近的反常電磁響應來實現。如果將這樣的諧振單元作為人工原子做成一個陣列，就有可能實現韋塞拉格提出的具有負折射率的材料。

到2000年，美國加州大學圣迭戈分校Smith課題組利用簡單的實驗進行了驗證，演示出微波波段負折射行為。實驗很簡單，但結果令人震撼，證明我們完全可以通過人工結構單元，來實現自然界根本不存在、完全顛覆我們經驗和常識的新材料。超材料由此誕生，2000年，就成為超材料的元年。

重構材料和應用

此后，基于類似的原理，科學家研制出了很多種電磁超材料和器件，如隱身斗篷、高分辨光學成像、超材料光計算機。

高分辨光學成像方面，超材料透鏡可打破光學衍射極限，直接獲得極其微觀的結構，如癌細胞的形成、納米尺度結構等，或用可見光制成的光刻機就可以刻出納米級的一些半導體器件；超材料光計算機方面，用超材料可實現響應速度非?？?、能耗特別低的計算。

此后超材料又從電磁波的調控延伸到聲波的調控，發展了大量的聲學超材料，在聲納、復雜的聲學系統、聲的信息器件、噪聲消除等領域非常有用。既然“波”是可以的，那么“流”能不能控制？后來發現也是可以的，通過調控熱流從而發展出大量熱學的超材料，應用在輻射制冷、熱管理、熱能利用、設備保護等領域。

后來又發現，超材料的方法也延伸到了力學和機械學領域，產生了大量機械單元作為人工原子的各類力學超材料，如負泊松比拉脹材料、負剛度及可調剛度材料等等。超材料的應用也延伸到量子領域，在量子計算、量子通信以及暗物質的探測方面也有非常誘人的前景。

超材料既然能做各種各樣的事，就有人提議用超材料建一座房子，這就是美國加州大學分校研究團隊的項目，從外面的建筑材料到里面的采光、供熱、通信、傳感等等這些都是用超材料建設的超穹頂，并以此激發學生的創造力，一點點完善這個建筑。

目前，超材料應用到信息技術、能源技術、航空航天、生物醫學、機械、建筑等領域。

超材料是一種解決問題的方法

超材料不僅代表了一大類特定的材料，更是一種解決問題的方式，即通過人造功能單元、構造超常的物理性質和功能，為很多領域提供了顛覆性技術，被評為“20世紀前10年的十大重大突破”以及“材料50年的十大重大突破”。

當下，超材料的廣泛應用正在進入一個爆發期。我們正在做兩件事：第一，解決信息技術面臨的“摩爾定律失效”；第二，解決能源技術面臨的“太陽能轉換的效率問題”。

針對第一個問題，我們提出用超材料，不改變材料自身性質，僅改變超材料（人工原子）性質，就有可能實現一種低閾值的、高速的全光開關，即無非線性過程參與的超材料全光開關，以打破全光信息技術的瓶頸。

針對第二個問題，我們發展出了一種“人工分鐘”，可直接把電磁波中所帶電磁場、驅動電流實現直接光電轉換，有望發展出光伏效應以外光電轉換的新途徑技術。

世界是物質的，有用的物質就是材料。人類通過對物質的建構，經過幾十萬年發展出材料技術；而在近百年來，我們解構了物質從而產生了材料科學；而今，超材料的出現使人類進入了重構物質的階段。使得萬物皆可設計，這將對人類未來產生深遠的影響。