科技日報(bào)記者 符曉波

春節(jié)假期將近，北京環(huán)球度假區(qū)即將迎來大波游客，在其一眾主題園區(qū)中，哈利·波特的魔法世界擁有眾多擁躉。如果要問魔法世界中的什么最吸引人，也許很多人的回答是：隱身斗篷。

在武俠或者科幻題材作品中，關(guān)于隱身術(shù)的描繪總令人浮想聯(lián)翩，成為許多人幻想擁有的超能力。若能在茫茫人海中隱匿自己，或利用隱身術(shù)制造一些空中懸物的“惡作劇”，光想想就很酷。那么，是否有什么手段和方法能讓我們?nèi)缭笇?shí)現(xiàn)隱身呢？從科學(xué)角度來說，答案是肯定的。

隱身術(shù)即“低可探測技術(shù)”

從某種程度上說，隱身術(shù)已經(jīng)較為成熟地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。不過這里所說的隱身術(shù)準(zhǔn)確來說應(yīng)該叫“低可探測技術(shù)”，即利用各種不同的技術(shù)手段來改變目標(biāo)物可探測性信息特征。

此類技術(shù)手段包括采用獨(dú)特設(shè)計(jì)的吸波、透波材料降低目標(biāo)物對電磁波、光波的反射；采取隔熱、散熱措施減弱目標(biāo)物的紅外輻射；通過折射光線使人眼無法察覺目標(biāo)物，使其降低被發(fā)現(xiàn)的可能；在軍用飛機(jī)、艦艇、火箭彈上采用雷達(dá)隱身材料、紅外隱身材料等使目標(biāo)物躲過偵查儀器，實(shí)現(xiàn)隱身效果等。

不過此類隱身與人類所暢想的隱身超能力尚有差別，畢竟要實(shí)現(xiàn)人的隱身需要躲過的不僅僅是各類偵查儀器，還要躲過最精密的人眼，技術(shù)難度可想而知。

隱身材料是研發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)

2006年，英國帝國理工學(xué)院的物理學(xué)家約翰·彭德里等人分別提出了電磁隱身斗篷的理論，受到人們廣泛的關(guān)注。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料介電常數(shù)和磁導(dǎo)率滿足一定關(guān)系時(shí)，電磁波在介質(zhì)中會(huì)沿給定的曲線傳播，并且不產(chǎn)生反射，從而模擬出扭曲的時(shí)空。

這意味著人類可以通過精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對電磁波的自由操控。通過借鑒變換光學(xué)理論，科學(xué)家預(yù)言了熱隱身斗篷：即利用人為改造微結(jié)構(gòu)的超材料，改變波的傳播路線，使其繞過物體，從而使該物體隱身。

自此，隱身衣的研制開始成為電磁學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)及交叉學(xué)科最前沿和最熱門的研究領(lǐng)域之一。基于超材料支撐的變換光學(xué)也成為物理學(xué)界的熱門話題。

根據(jù)理論，隱身材料是隱身技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。約翰·彭德里此前在接受媒體采訪時(shí)表示，變換光學(xué)器件需要的材料參數(shù)對于天然材料來說相當(dāng)苛刻，甚至難以實(shí)現(xiàn)，超材料為實(shí)現(xiàn)變換光學(xué)器件制備提供了更簡易的可能。可以說，超材料的出現(xiàn)和發(fā)展，推動(dòng)了在隱身研究領(lǐng)域中廣泛傳播的制作隱身斗篷的熱情。

理想狀況下，人為調(diào)節(jié)參數(shù)一定可以設(shè)計(jì)并制造出性能特異的吸波材料，從而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)許多具有不同功能的器件，例如隱身斗篷、光學(xué)錯(cuò)覺裝置、旋轉(zhuǎn)器等。但實(shí)際操作中，為了實(shí)現(xiàn)隱身效果，通常需要簡化電磁參數(shù)以避免電磁參數(shù)出現(xiàn)無限大或負(fù)數(shù)的情況，且還需要用復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效出梯度折射率材料，這些過程需要昂貴的光刻技術(shù)和繁瑣的制造方法，并且最終的實(shí)際效果也會(huì)因存在種種局限而大打折扣。因此，超材料真正成為隱身材料還有一定的距離要走。

不用超材料也可實(shí)現(xiàn)隱身

面對超材料目前存在的局限性，科學(xué)家們又有了新突破。

近日，廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳煥陽課題組聯(lián)合其他研究人員在研究中發(fā)現(xiàn)，使用一種常見的二維天然材料三氧化鉬（α-MoO3）制造隱身裝置，可以達(dá)到超材料實(shí)現(xiàn)的隱身效果。這意味著，未來制造隱身設(shè)備的門檻會(huì)大幅降低，許多科幻電影、小說中描述的情形將有望在現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)。該研究成果發(fā)表在國際期刊《納米光子學(xué)》雜志上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把三氧化鉬薄片卷在圓柱形光纖上時(shí)，在中紅外電磁照明下的物體從視覺上消失了。這項(xiàng)最新模擬計(jì)算表明，天然材料三氧化鉬具備超材料的特性，無需復(fù)雜加工即可成為理想的隱身材料。

陳煥陽解釋，達(dá)到結(jié)構(gòu)的法布里—珀羅共振的光能夠以極小的散射通過三氧化鉬隱身聚光器傳播，并且能量在中心處得到加強(qiáng)，達(dá)到隱藏電磁照明下的物體的目的，即隱身。“三氧化鉬把光沿著一定方向擠壓進(jìn)內(nèi)核，相當(dāng)于把光抓進(jìn)了物體內(nèi)，如果折射率和阻抗匹配，就感覺內(nèi)核不存在，產(chǎn)生了隱身的效果。”陳煥陽說。

此外，利用三氧化鉬代替超材料制造的新興隱身器件在特定光源位置還表現(xiàn)出錯(cuò)覺效應(yīng)，使得人無法通過外場判斷光源的真實(shí)位置。

天然材料優(yōu)勢多多

“這是二維材料首次被用于變換光學(xué)器件的設(shè)計(jì)，通常我們需要超材料，但這次要簡單得多。”陳煥陽介紹，人們通常認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)完美的隱身效果很大程度上要依賴人造材料，這次實(shí)驗(yàn)的成果為天然二維材料替代超材料制造隱身器件提供了新的可能。而且相比超材料，這種材料具有更多價(jià)格和制作上的優(yōu)勢。

除此之外，傳統(tǒng)的超材料存在跨尺度制備難題。比如超材料人工原子為納米結(jié)構(gòu)，因此毫米尺寸器件涉及跨尺度制備，其計(jì)算、設(shè)計(jì)和制備都非常困難。而真正投入應(yīng)用的隱身器件例如隱身斗篷，其尺寸一般更大，制備難度可想而知。利用二維層狀材料，特別是具備光學(xué)各向異性的二維層狀材料，作為類似人工超材料的基本構(gòu)筑單元，可以突破跨尺度制備難題。

該研究結(jié)果表明，雙曲材料作為變換光學(xué)的新的材料基礎(chǔ)，可以產(chǎn)生更多超越隱形聚光器的新納米光子概念，如多頻超散射、變換等離激元學(xué)等。

這項(xiàng)研究在初步實(shí)驗(yàn)中取得令人滿意的結(jié)果，不過仍然處于驗(yàn)證階段。“各向異性和漸變是超材料的特性，也是變換光學(xué)所需要的，如果二維材料也能實(shí)現(xiàn)類似的調(diào)控，將是一個(gè)非常有前景的領(lǐng)域。”陳煥陽介紹，在一些研究人員合作進(jìn)行的另一項(xiàng)研究中，研究人員合作構(gòu)筑的疊層結(jié)構(gòu)，已經(jīng)可以通過控制兩片三氧化鉬晶體的疊層轉(zhuǎn)角，從光學(xué)上實(shí)現(xiàn)從橢圓色散到雙曲色散的各向異性連續(xù)調(diào)控。雖然目前漸變調(diào)控還存在困難，但相信不久的將來，這些難題能夠被攻破。

研究人員表示，如果這些科學(xué)問題都能解決，也許可以催生一個(gè)變換等離激元學(xué)的新研究方向。這些課題目前都是偏應(yīng)用基礎(chǔ)性的研究，在產(chǎn)業(yè)和商業(yè)化應(yīng)用上還有相當(dāng)長的一段路要走，但毋庸置疑，新材料及其新特性的發(fā)現(xiàn)一定會(huì)帶來一些新的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 斗篷 難度 材料