超材料在电子设计中的多功能性

Liam Critchley 写道，复合材料可以为电子设备带来独特的性能，以提高声学、热或电磁性能。

超材料是由至少两种不同材料组成的人造复合材料。它们拥有大量微小的材料结构，这些结构被排列成 3D 结构。这些单独的结构中的每一个都被称为“超原子”，并具有天然材料中没有的特性，包括控制电磁波的能力。

电磁波的弯曲通常相对于入射方向呈正方向。这称为正折射率。然而，超材料的主要特征是它们具有负折射率。超原子比电磁波长小，因此它们会导致穿过它们的任何电磁波发生负弯曲。这是超材料所独有的。

超材料分类

超材料通常分为两种类型。第一种是控制波传播的波超材料，第二种是控制扩散过程的扩散超材料（图1）。

图1：不同类型超材料的图形表示

超材料可以在一系列应用中控制不同的电磁波，例如声波或光波。众所周知，超材料具有一系列特性，包括控制电磁辐射方向的能力。它们具有独特的特性，例如负折射率，但也具有电磁隐蔽以及负介电常数和磁导率特性。

电子设备中的超材料

热超材料可以为电子设计带来很多好处。电子元件很容易被高温损坏，而纳米电子学、3D集成电路和柔性电子学的出现使得这些复杂架构中的热管理变得困难。

它们可用于改善散热、提供热屏蔽和减少电子设备中的热串扰，以及反射光线并防止来自外部来源的设备温度升高——对于暴露于更强电磁波的航空航天、卫星和空间技术非常有用。

热超材料也被用于热电设备，将车辆和设备发出的废热能（红外波）转化为电能。

复旦大学物理系黄继平教授表示：“热超材料主要有三个应用领域，”热超材料可用于红外辐射的热保护;热斗篷、集中器和旋转器可用于更高级的热管理;辐射冷却膜可用于无能耗冷却。（见图 2)

图2：用热超材料构建的热斗篷集中器装置的描绘[来源：黄吉平]

黄继平表示，热材料可以从许多领域中受益，例如“能量转换系统、汽车热管理系统、太阳能热发电，并且正在研究将热超材料用于热传感器、二极管和零能耗绝缘”。

热超材料的设计在很大程度上依赖于热学（物理学的子领域，即热的科学研究）。黄继平表示：“热超材料的独特性能源自传统的变化热学，并依赖于复杂的结构和各向异性材料性能。

这就是为什么超材料的特性是独一无二的，因为天然材料往往是均匀和各向同性的。

然而，设计热超材料并不简单。黄吉平还指出，“传统的热器件制造技术通常与特定的几何形状和层状结构有关，这限制了它们在制造复杂或不规则形状（例如超材料）方面的灵活性”。

黄继平接着说，“数值优化、深度学习和拓扑优化方法增强了热超材料器件的性能和适应性，而共形变换理论减少了超材料设计中的几何约束”。

已经有商业化超材料系统投入使用，但黄吉平认为，“热超材料的未来设计有望变得更加智能和高效。随着人工智能和深度学习等技术的快速进步，设计过程将变得越来越自动化和智能，从而可以创建能够将多种热功能集成到同一设备中的非线性设计。

“这是对热超材料与其他类型的超材料集成的补充，其中每种材料都实现了多功能性。”

人们认为，随着超材料生产工业化的加速，热超材料将很快用于电子、能源和医疗保健领域。

声学超材料

声学超材料使用声子晶体来控制、纵和引导声波（声子）。声学超材料具有各向异性质量和负密度，用于减振、成像、医学超声波、反声纳技术和无线电力传输。声子还负责固体中的热传导，因此可以设计声学超材料来控制电子系统中的热传递。

图3：柔性超材料的不同应用领域显示了不同的应用途径

有源声学超材料提供了对声波的一定程度的控制，超出了无源设备的能力，并且可以动态重新配置，并且可以补偿波强度的任何损失。

有些应用超出了电子设计的范围，但声学超材料可以设计为捕获或传输特定频率的声波。以这种方式使用超材料可以帮助为一系列技术（例如乐器和先进的医学成像）设计更先进的声学谐振器。声学超材料还可以精确控制声场的变形，并用于隐藏或隐藏物体免受声波的影响。

电磁超材料

超材料可以在单个设备中控制电磁频谱上的一系列电磁波，从而使超材料变得可编程。每个元原子都可以纵不同的电磁波来构建具有多种电磁功能的设备。每个超原子都可以控制一定的波长，并且可以通过先进的软件控制功能。

开发中

正在开发可编程超材料，它可以自主适应其环境并与系统中的其他超材料进行通信，以构建可以提供传感、成像或通信功能的先进设备。一些应用示例包括医学成像和无线通信。

开发可编程超材料的方法有很多种，但一种常见的方法是构建模仿 FPGA 的系统。可编程超材料面临的挑战是创建一种具有刷新率的设备，该设备可以在高频环境（例如太赫兹波）中实时改变超材料的特性。应用之间的刷新率各不相同，但通常在 KHz 到 MHz 范围内。

灵活是未来吗？

随着灵活和更小的电子设备变得越来越普遍，超材料设计也必须弯曲、拉伸和滚动才能用于下一代设备。这是通过将超材料掺入柔性基材（例如低表面能聚合物）来实现的。

在超材料设计中引入灵活性也为制造用于遥感、成像和光学谐振器设备的透明超材料打开了大门。

华中科技大学智能制造装备与技术国家重点实验室副主任黄永安教授告诉《电子周刊》，“柔性超材料可用于增强现有的柔性电子产品，用于可穿戴电子、表皮电子、植入电子、软机器人和飞机智能皮肤。用传统策略改进柔性电子产品变得越来越具有挑战性，但超材料正在开辟新天地。

黄永安还指出，根据体积较大的超材料的分类，可以制造多种类型的柔性超材料，包括“柔性机械超材料、柔性光学超材料和柔性声学超材料，它们的用途可能跨越有趣的应用领域，如声学超透镜、隐形斗篷、电子皮肤和电子眼”。

开发柔性超材料有许多设计考虑因素，这些超材料围绕启发式设计（基于以前的经验）和理性设计（基于目标属性）展开。关于启发式设计，黄永安说：“生物灵感已被证明是开发新型超材料的强大而有效的。理性设计围绕拓扑优化展开，“拓扑优化优化在给定的设计空间内优化结构布局，它主要用于设计过程的概念层面。启发式和理性设计方法与计算机辅助设计技术的混合方法有望成为一种有前途的方法。

柔性超材料的成熟不如块状超材料成熟。黄永安告诉《电子周刊》，“该领域许多已展示的功能和器件原型仍处于非常初步阶段，大多仅限于实验室研究，或者有时只是在理想假设下实现理论性能，而不考虑实际应用。许多可用的制造技术——3D 打印、激光切割、双光子光刻——仍处于开发柔性超材料的早期阶段，但结合自上而下和自下而上的技术可能会实现更小规模的超材料。

虽然该领域还相对较新，但黄永安总结道：“如果目前柔性超材料设计/器件集成研究的增长趋势持续下去，我们相信该领域见证工业兴趣近乎爆炸式增长并非不可想象。世界是弯曲的、动态的和多变的，但我们的工业文明是建立在扁平的技术基础上的，但超材料开辟了一个全新的方向，可以随意设计材料的能力。

事实档案

* 超材料正在为从医疗到汽车和航空航天工业等一系列行业开发。

* 用途包括天线的生物传感器、能量收集器、滤光片、智能电源管理设备、远程监控设备、智能电源管理和屏蔽设备。

* 超材料和超表面相似，都包含超原子，但超表面是 2D 的，而超材料是 3D。

* 超材料可以编程;它们在单个设备中控制电磁频谱上的一系列电磁波。