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  • 隐身斗篷

    隐身斗篷,是由硅纳米材料制造而成,利用该特殊材料折射或吸收大部分光线,从而达到隐形的目的。

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    (图)隐身斗篷隐身斗篷

    隐身斗篷(invisibility cloak)能改变光的波长,让光像流水一样环绕着流过斗篷而不产生反射折射。目前这个斗篷基本上能在微波下“隐身”了。据说随着今后科学技术的进步,这东西就能完全的让我们“视而不见”。

    加州大学伯克利分校的科学家已经在隐形衣研究方面取得重大进步,哈里·波特的隐身工具可能很快就会变成现实。他们已经设计出两种新材料,一种利用网状金属层,另一种利用很细的银丝,这两种材料既不吸收阳光,也不反射阳光,而是使光线沿原路返回。这种隐形衣的工作原理是折射作用,折射作用导致水中的麦秆看起来变弯了。

    浙江大学毕业生刘若鹏和美国科学家共同研制出一种可以扭曲微波的隐身斗篷。这种斗篷的运作秘诀就在于它能令微波的路径变弯。它的设计如果完美,那么穿着的人或它覆盖的建筑物和工业用地都会隐身,造成上视觉上的看不见。

    (图)隐身斗篷隐身斗篷

    人之所以能看见物体,因其阻挡了光波通过,中科院物理所一名光学研究人员对记者表示,理论上来说,要是能让光“转弯”,研制出“隐身衣”是完全有可能的。

    浙江大学博士生陈红胜,曾在美国物理学顶级学术刊物《物理评论快报》发表论文,首次解隐身衣的物理机制。“应该是让电磁波‘转弯’,绕着物体走,绕过障碍物,这样物体就能‘隐身’。”陈红胜表示。隐身衣的研究在国外非常热,由于该技术有很好的保密效果,被认为可广泛应用在军事上,如用在飞机和潜艇上,雷达就很难探测到它们的存在。

    关键技术/隐身斗篷 编辑

    (图)隐身斗篷实验

    该项目的第一作者刘若鹏介绍,这种隐身衣最关键的技术是材料的设计。这种斗篷其实是以数千块细小的能控制光线“特异材料”片制成。其原理是将这些“特异材料”片进行特殊排列,使它们令光波“转弯”。这张50.8厘米乘以10厘米大、不足2.5厘米高、仿如一块浴垫的斗篷,在罩着物件时能令微波弹离表面射向镜面。在正常情况下,光一照到物件,光就会弹离物件的表面,照射到肉眼去,从而令物件可见。而光的偏斜能令观者看透物件后方,因而令物件隐形。这张婉如一块浴垫的斗篷,在罩着物件时能令微波弹离表面射向镜面。斗篷能如水绕过鹅卵石而流般“愚弄”光波绕过一个物件。

    隐形材料/隐身斗篷 编辑

    联手开发

    来自美国加州大学伯克利分校、康奈尔大学的科学家们联手开发的“隐形”材料,即将进入全新的阶段。也许在不久的将来,我们就能看到隐身衣、隐身斗篷等超现实产品的出现。根据《麻省理工科技评论》报道,科学家们通过纳米级的硅粒子来控制镜面的折射方向和角度,这样的镜子肉眼看上去就只能看到被镜子折射后的景物,而无法看到镜子背后的东西。

    材料技术

    (图)“隐形”材料“隐形”材料

    这样一来,隐身衣就能顺利诞生。虽然这种新物料已经能起到隐身效果,但是要大规模量产仍然有很长的路要走。也许再过几十年我们不仅能QQ、MSN隐身,还能逛街吃饭隐身了(a sea:小心被车撞飞)。

    美国科学家宣布他们把使人隐身的材料技术又向前推进了一步。

    加州大学伯克利分校的研究人员开发出了一种可以弯曲三维物体周边光线的材质,它能使物体“消失”。这种材料不是天然存在的,而是以纳米量级(十亿分之一米)研发而成。该研究团队说,这项原理未来有望运用到更大尺寸的隐身斗篷上,使之足以隐藏一个活人。

    隐身行动

    (图)“隐形”材料“隐形”材料

    这项由科学家Xiang Zhang主持的发现,已发表在《自然科学》杂志上。材料的曲光效应依靠逆转折射的原理,这与水中的吸管看起来是弯曲的道理一致。此前的努力采用的微波——其波长远比人类肉眼能见的长——展示了这种负折射效应。但这种新材料对围绕在通讯产业产品四周的波长更起作用——更加接近光谱上可见光的位置。

    两组独立的但都由Zhang率领的研究团队致力于制作所谓的“元材料”(metamaterials)制品——即拥有比可见光波长更短特性的人造结构,这赋予它们非同寻常的属性。

    一种方法是使用纳米尺寸的置于网眼结构中的银镁氟化物栅格,而另一种则采用银制纳米线。

    据研究者称,光既没有被这种材料吸收也未被其折射,仅仅如“激水绕石”那样淌过。结果,只有那些从该材料背后传来的光能被看见。

    斗篷与影子

    (图)隐身行动隐身行动

    “这是前进中巨大的一步,一个显著的成就,”萨里大学先进技术研究所的Ortwin Hess 教授如是说,“这是在可见光谱里对正确材料和正确结构方式第一次所作的审慎的挑选。”他还声称,该材料将有望立刻被更广泛地运用于通讯业中的一些装置。而且,它可被用来制造性能更为优越的显微镜,使人们可以看见比当下显微镜允许人们看见的远为微小的图像。

    “为了获得哈利·波特效应,你只需找到那些对可见光波长不奏效的正确材料,”Hess教授说,“而看到我们居然因此走上了光明的探索发现之路,真是彻彻底底令人惊喜。”精致的材料结构赋予了它曲光的能力

    实验成果/隐身斗篷 编辑

    (图)隐身斗篷隐身斗篷

    2007年12月,美国马里兰大学的克拉克工程学院(Maryland's A. JamesClark School of Engineering)的一个研究小组宣布他们研制出世界首件“隐身斗篷”,虽然目前这项成果仍只在实验室阶段,但是它的成功已经得到相关学界的广泛认可。

    这个研究小组是由克拉克工程学院的克里斯托弗? 戴维斯教授(Professor Christopher Davis)和俄罗斯科学家斯莫里亚尼诺夫(Professor Smolyaninov)领队的,其核心技术是在纳米尺度中对等离子光波的利用。在所有可见光光谱中,“隐身斗篷”都能让自己“隐身”。

    让光线走开的隐身之道

    隐身”具有两种模式,一种是让物体本身非物质化,另一种,就只是让别人看不见而已,但物质的实体其实仍然占据在空间里。马里兰研究小组的“隐身”思路正是后者。

    “看见”是一个光线折射的过程。当我们“看见”了一个物体,光线也走完了到达物体-折射返回的路程。而怎样才能让别人眼前的物体变得“看不见”,这需要改变光线的传播方向,让它不能正常地返回别人的视界范围,这样别人就“看不见”这个物体了。

    (图)invisibility cloak invisibility cloak

    “隐身斗篷”可以让到达它表面的光线弯曲,最终绕道而行。在人们的印象中,光线都是匀速直线传播的,但事实上只有在理想状态下才会这样。光线的传播路线依据它经过的介质而定,不同介质的折射率会使光线的走向发生不同的改变。“隐身斗篷”所用的是一种合成的材料——把具有两种不同折射率的介质有机结合在一起,迫使光线持续地改变方向,直到形成一种研究者们想看到的走向。

    斯莫里亚尼诺夫带领的研究小组使用了一种颇为昂贵的材料——黄金,来做“隐身斗篷”的里层。薄而均匀的黄金薄膜可以使光线的速度缓慢下来,变得更好控制;而在这一层黄金薄膜之上,是一层薄而透明,但是并不均匀分布的丙乙烯塑料层,这两种材料经过计算结合在一起,当光线到达,就会在不同区域遇到丙乙烯塑料或者黄金,然后不断改变它的光线折射率,最后不得不从“隐身斗篷”的两侧绕行,最后经过“斗篷”覆盖的区域,扬长而去。“这就像当水流遇到礁石,无法穿越,最后只能从两边流去。当人们顺着水流看去,那块礁石就是隐形的”,斯莫里亚尼诺夫教授对着他们研究小组公布的特殊设备拍摄的“隐身斗篷”和它周围的光谱变化的图片时,用了这样的类比来说明“隐身斗篷”如何在光线中发挥作用。

    真实但不实用的“隐身斗篷”

    (图)隐身斗篷工作原理隐身斗篷工作原理

    让光线走开,以此来实现视觉上的“隐形”,这个原理听上去并不复杂,其中涉及到的技术却极其复杂,而且其中的突破更是“革命性”的。利用两种不同折射率的介质来改变光线的走向,这不难,难的是如何控制光线的走向,使得光线刚刚好避开可以折射返回的区域,避开我们的视线范围。

    斯莫里亚尼诺夫教授领导的研究小组所用到的核心技术是对等离子光波的控制。这是一种纳米尺度内的光波,对这种光波的测算都是进行在纳米数级之中,光线在黄金和丙乙烯塑料合成的材料上发生的折射率的改变,也就是等离子光波的每一次波动都要经过仔细观察和计算,以这些数据设计出来的合成介质,才能让光线在“隐身斗篷”面前打着旋,绕道而去。

    “所以这件‘隐身斗篷’还只是一个纳米尺度下的斗篷,并且只适用于二维空间。”斯莫里亚尼诺夫教授说。史上第一件“隐身斗篷”只有10微米大小。10微米是多大呢?一个成年人的头发的直径大约是50-100微米,“隐身斗篷”只有头发丝的1/5 或1/10 ;而且它目前只能适用于二维的可视空间,将它的适用范围从二维进化到三维,“这对我们来说,还很困难,需要很多技术上的限制有待突破。”据研究小组公布的研究报告来看,在一个二维的尺度上改变等离子光波的运动方向需要控制介质的电子常数,但是在一个三维的空间里,则要同时控制住介质的电子常数和磁导率——光线的折射和介质的电磁场之间具有非常复杂的转化关系,这种控制,是很难在短时间内达到的。

    “隐身衣”梦想/隐身斗篷 编辑

    在《哈利·波特》的魔法世界中,魔法学校的校长邓布利多捎给了哈利一张无比神奇的隐身斗篷。而在现实世界中,或许用不了多久,我们也能收到由科学家送出的这一神秘礼物。
       
    来自美国加州大学伯克利分校的研究人员,最近朝着“隐身衣”的梦想迈进了一步。
      
    这个由华裔教授张翔领导的研究小组,成功研制出新型的三维材料,能够使光线通过时发生弯曲,从而神秘“消失”。打个比方,当流水经过一块石头时,水流会绕过石头,然后继续向前,就像没有遇到石头一样。

    超材料的问世
       
    张翔及其同事研制的材料之所以能够改变光线的传播方向,归功于其“负折射”的特性。与之相比,所有的天然材料都具有正折射率。
       
    折射过程可以用这样一个经典图示来说明:筷子插入水中的部分看起来似乎向水面方向弯曲。假如水显示出负折射的特性,筷子被水淹没的部分看上去则似乎是跳出了水面。如果将筷子换成一条鱼,我们也可以看到类似的效果。

    (图)负折射示意图负折射示意图

    既然天然材料无法实现“负折射”,科学家们想到人工研制出一类超材料(metamaterials)。通过对材料的结构进行人为设计,来获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
       
    超材料的理论和实验发展,直接催生了“隐身衣”研究。2006年初,伦敦帝国理工大学的潘德瑞教授(John Pendry)提出“隐身衣”的可行性构想,超材料能够让光线绕过物体,从而使物体隐形。当年年底,潘德瑞和美国杜克大学的舒里希(David Schurig)、史密斯(David Smith)等科学家,共同展示了一种超材料。
     
    这两年,超材料逐渐成为国际上的一个研究热点。
      
    不过,科学家们拿出的超材料魔力还十分有限:只在单层的二维材料上取得了成功,而且“负折射”特性只出现在微波范围。对于波长更短的光,比如人眼适应的可见光,还无能为力。也就是说,这些超材料还无法制造成在那种人眼前消失的“隐身衣”。

    可见光的消失
      
    张翔领导的研究小组,则将超材料和“隐身衣”的研究往前推进了一步。
     
    这个研究小组,分别在8月13日出版的《自然》杂志网络版和8月15日的《科学》杂志发表论文,报告了两种合成超材料的方法。
      
    在《自然》论文中,研究小组描述了一种三维“渔网”形的超材料。他们将导电的银和不导电的氟化镁交替堆叠在一起,并在层与层之间挖出纳米(一根头发丝的直径大致相当于10万个纳米)尺寸的渔网图样。 

    (图)三维超材料三维超材料

    伯克利研究人员获得的三维超材料,左为结构示意图,右为扫描电子显微镜下的图片。

    这样,在波长最大不超过1500纳米,即近红外线的范围内,出现了负折射。研究人员解释说,每对相邻导电层之间都会形成一个电流环路,交替堆叠则产生一系列环路,这些环路被用来响应入射光线产生的磁场,从而使光线发生偏折。
      
    在《科学》论文中,研究人员则采用了另一种方法。这种超材料由嵌在多孔氧化铝内的银纳米导线组成,可以使波长不超过660纳米的红光(属于可见光)到红外线波段出现负折射现象。
      
    这也是科学家首次在可见光波段实现“负折射”。
      
    张翔对媒体表示:“我们用两种完全不同的方法,制造出了在比较广的波长光谱范围出现负折射的大块超材料,而且能量损失较小,朝着超材料的实际应用迈进了一步。”

    “隐身衣”究竟还有多远?
      
    那么,我们什么时候才可以穿上“隐身衣”呢?

    (图)工作原理工作原理

    要真正实现“隐身”,理论上需要对所有可见光波段实现负折射,而科学家目前还无法做到这一点。
      
    张翔研究组成员、《科学》论文主要作者之一姚杰告诉《财经》记者,尽管这两种技术获得了成功,但要真正实现对可见光的隐形,还存在一些技术困难。他所参与的多空氧化铝中嵌入银纳米线的超材料,除了红光之外,对于其他波段的光如蓝光,则无法起作用,“不同的光的偏折条件是不同的,这也是我们下一步研究工作要面对的一个重要难题。”
      
    当然,光,或者说电磁波的波段极为宽广,即使在所有可见光波段实现隐形,在人眼面前“消失”,如果在其他波段不能实现隐形,仍然可以通过其他手段探测到。
      
    在所需要的波段实现隐形,只是科学家需要面对的诸多难题之一。
      
    例如,姚杰表示,就目前的技术而言,“还没有办法做出面积更大的可见光超材料”。这就是说,目前还无法规模生产超材料,而且也无法随心所欲地制造成所需要的形状。伯克利研究人员目前能够制造出来的“大块超材料”,最多也就是几个平方毫米大小。
      
    此外,这种超材料由金属制成,非常容易破碎。
      
    因此,“隐身衣”究竟何时能够成为现实,还很难预料。
      
    实际上,推出“隐身衣”并不是科学家研究超材料的主要目的。在纳米成像、半导体工业等领域,超材料更可能发挥更为直接的作用。例如,利用超材料有望制造出更小更精密的半导体元器件,同时降低制作成本。
      
    对于超材料研究最感兴趣的,或许是军方。和日常生活相比,军方对隐形技术的需求更为迫切。
      
    据了解,伯克利科学家的研究就不仅获得美国国家科学基金会的资助,还拿到了美国军方的课题经费。

    最新动态/隐身斗篷 编辑

    美密歇根理工大学用玻璃微片造出"隐身斗篷"

    2010年7月26日,美国密歇根理工大学的科学家利用玻璃微片制成了一件“隐身斗篷”,使得《哈利波特》等科幻小说中的情节化为了现实。相关研究报告发表在近期出版的《应用物理快报》杂志上。

    当光线照到物体表面时,会发生反射并进入肉眼,使人们能够看见相应物体。但来自密歇根理工大学的研究人员却发现了一种捕获红外线的方法,可使红外线在物体周围发生弯曲,从而实现物体的隐身。一旦通过这种技术实现了可见光的弯曲,被其所覆盖的物体将会从人们的眼前消失。

    艾琳娜·赛莫金娜教授研制的这种非金属“斗篷”采用了完全相同的玻璃共振片,其由硫化玻璃制成,不会导电。在计算机模拟中,这种“斗篷”能使物体在受到波长约为一微米的红外线照射后,最终实现该物体的隐身。这是科学家首次尝试利用玻璃材料来实现光线的弯曲。

    赛莫金娜教授的“隐身斗篷”采用了超材料,这种材料由人工复合而成,具有一般自然材料所不具备的超常特性。此次采用的超材料由微型玻璃共振片构成,而非由天然材料的原子或分子构成,是材料学和电子工程学的跨学科科研产物。这种微型共振片以同心环的形式排列,组成的形状与圆柱体相似。在同心环中产生磁共振,从而实现物体周围光线的弯曲,并最终实现物体的隐身。

    研究小组目前正在进行进一步的测试,以探测由陶瓷共振片和金属制成的斗篷在微波频率的隐身效果。科学家在密歇根理工大学的消声实验室内进行了相关实验:这是一个类似洞穴的结构,内部遍布具备高度吸音功能的深灰色泡沫状锥形体,并安装了天线,可用于微波的发送或接收。微波的波长要远大于红外线,其波长值可达到若干厘米。

    研究人员表示:“从这些试验开始,我们将进一步研究斗篷在更高频率和更小波长的情况下的隐身效果。而最令人期待的将是在可见光频率实现隐身。”如能获得更多进展,隐身斗篷将在30年内进入日常生活的预测或许不再是天方夜谭。[1]

    参考资料/隐身斗篷 编辑

    [1] 天府热线 http://news.tfol.com/10026/12705/12706/2009/4/3/10736609.shtml
    [2] 搜狐新闻 http://news.sohu.com/20080109/n254553629.shtml
    http://www.yeeyan.com/articles/view/41895/12758
    http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7553061.stm
    http://www.caijing.com.cn/2008-08-22/110007665.html

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    参考资料
    [1]^引用日期:2010-07-26
    扩展阅读
    1天府热线
    2搜狐新闻

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