专题：人工表面等离激元及其应用

人工表面等离激元是一种十分重要的亚波长电磁模式,基于这种波长较短的新型电磁模式,可开发薄层化、轻量化、小型化的新型电磁材料与器件,在航空、航天、通信、隐身等领域具有十分重要及广阔的应用前 景。本专题依托国家重点研发计划“高端功能与智能材料”“超材料加工制造关键技术与典型应用”、国家自然 科学基金“基于人工表面等离激元色散调控的天线 天线罩一体化隐身设计研究”等项目设立,聚焦国内人工表面等离激元的最新研究动态,汇集国内优秀团队研究成果,以期增进国内人工表面等离激元研究领域的学术交流和应用技术探讨,促进人工表面等离激元基础研究和技术创新应用的发展。本期专题采用增强出版形式,读者可扫描以下二维码查看相关支撑材料,以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

专题：超表面电磁调控方法与应用

超表面(metasurfaces)是由亚波长单元在平面内周期排列构成的二维结构，可实现对电磁波传输/反射振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。 通过对电磁波的相位和振幅联合调控，可以实现艾利波束、任意波束赋形和全息；通过对电磁波的相位和极化联合调控，可以实现矢量涡旋波束；通过对电磁波的相位和频率联合调控，可以实现非线性超透镜和时空编码等功能，为电磁波的人工调控提供了全新设计思路及理论支撑。尽管如此，对于超表面的应用研究尚处于起步阶段，尤其是存在多元集成效率低、带宽窄、可重构设计复杂、成本高等若干瓶颈技术亟待新理论、新方法进行突破。本专题主要依托国家自然科学基金等军内外基础研究项目，聚焦超表面电磁调控领域最新研究成果，推动超表面在无线通信系统和隐身中的广泛应用，以期增进国内同行在该领域的学术交流。本期专题采用在线支撑材料等增强出版形式，读者可扫描文中二维码链接查看相关支撑材料，以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

多稳态力学超构材料研究进展

通过人工设计的微结构,力学超构材料能实现天然材料不具备的超常力学性能,如负泊松比、负热膨胀、多稳态、可调刚度等等。其中,多稳态力学超构材料因具有可重复使用、能量存储与吸收、快速变形和放大输出力等优异性能,激发了研究人员的兴趣。多稳态力学超构材料通常是利用双稳态结构单元的串联和/或并联实现的,在外界载荷作用下展示出多个稳定构型且可以互逆切换,具有广阔的应用前景。该文综述了多稳态力学超构材料主要设计策略及最新的研究进展,阐述了双稳态的概念、稳态转换势垒及相应的力学响应特性,分析了双稳态单元的设计原则;根据研究对象的不同,对双稳态单元及其多稳态超构材料研究进展进行了分析;讨论了多稳态构成的力学超构材料在能量吸收、软驱动、机械计算和波调控等领域的应用前景。最后,对多稳态力学超构材料的研究进行了总结,并对未来可能遇到的挑战和机遇进行了展望。     

基于迂回相位和几何相位复合的散射调控超表面

提出了一种基于迂回相位和几何相位复合的电磁散射调控超表面设计方法,以实现不同入射角下对电磁波的独立调控。作为设计实例,采用能够实现宽带极化转换的开口谐振环(SRR)作为超表面结构单元,通过移动和旋转SRR同时引入迂回相位和几何相位,构成超表面反射相位设计方案。当电磁波垂直入射到超表面时,几何相位设计使得散射波分裂为两束,实现了分束功能;斜入射时,大部分散射波被引导至-1阶衍射通道,通过迂回相位设计实现了波束偏折功能。仿真和测试结果均验证了其良好的散射波束调控性能。基于几何相位和迂回相位的散射调控超表面设计方法丰富了超表面操纵电磁波的自由度,并可进一步与传输相位、共振相位等复合推广到全空间散射波束调控超表面设计。     

孙军教授担任国家“九七三”计划“材料若干介观性能的表征及其尺度效应”项目首席科学家

近日，国家科技部正式公布了2004年度国家重点基础研究发展规划(“九七三”计划)项目立项评审结果．由我校金属材料强度国家重点实验室主任、长江学孙军教授主持申报的“材料若干介观性能的表征及其尺度效应”项目通过了“九七三”计划的评审，成为2004年度批准立项的31个项目之一，     

超构表面设计及其应用

超构表面作为二维形式的超构材料,在分界面处可以对透射、反射电磁波产生特定的相位分布,因此能够灵活调控电磁波前。超构表面的低剖面二维平面结构,在电磁调控领域具有广泛的应用前景,一系列的超构表面应用应运而生。主要介绍了超构表面的设计发展以及其应用,主要包括天线应用、RCS减缩、特殊波束、有源超构表面等4个方面。首先,在天线应用方面,超构表面可用于实现高增益透镜和极化转换功能;其次,从吸波型和散射调控型2种不同工作机理的角度介绍了应用于RCS减缩的超构表面;然后,针对特殊波束,主要介绍了超构表面在涡旋波束和全息成像中的应用;最后,从加载不同有源原件的角度分析有源超构表面的发展,并未来超构表面发展值得深入研究的方向。     

我校孙军教授担任“材料若干介观性能的表征及其尺度效应”项目首席科学家

近日，国家科技部正式公布了2004年度国家重点基础研究发展规划(九七三计划)项目立项评审结果，由我校金属材料强度国家重点实验室主任、长江学者孙军教授主持申报的“材料若干介观性能的表征及其尺度效应”项目通过了“九七三计划”的评审，成为2004年度批准立项的31个项目之一，孙军教授担任该项目的首席科学家，未来的5年内将获得总额为2600万元的专项资金资助。     

长效超疏水纳米复合材料研究进展

随着材料表征及制备技术的发展,越来越多的人造超疏水材料及表面被制造出来,然而人造超疏水材料及表面的长效特性差,限制其在自清洁、防冰、防雾、防腐蚀以及油水分离等领域的实际应用,其长效特性的提升对于人造超疏水材料及表面在生产生活中的应用具有重要意义.根据超疏水材料维度的不同以及超疏水结构构筑单元维度的差异,本文将人造超疏水材料分为零维结构单元构筑二维超疏水材料;零维结构单元构筑三维超疏水材料;一维结构单元构筑二维超疏水材料;一维结构单元构筑三维超疏水材料以及基于块体材料的三维超疏水材料五大类,并综述了各类超疏水材料的制备方法及相应超疏水材料长效特性的研究.综合近年来超疏水材料的研究进展,提出了长效超疏水材料的设计思路和评价方法.     

“超材料(metamaterials)”:超越材料性能的自然极限

“Metamaterial”是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇.拉丁语“meta-”,可以表达“超出...,亚...,另类”等含义.对于metamaterial一词,目前尚未有一个严格的、权威的定义,但一般文献中给出的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”.目前人们已经发展出的这类“超材料”包括光子晶体、左手材料以及超磁性材料等等.“超材料”的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础.例如,材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关,一个最直观的例子是晶体.晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式,它的有序主要存在于原子层次,正是由于在这个尺度上的有序性调制,使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征.由此类比,在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质.因此,人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制,从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质.迄今人们所使用的各类功能材料都是建立在天然材料所具有的性质的改进和提高上.随着材料设计和制备技术水平的不断改进与提高,对天然材料各种性质...     

人工电磁超材料的电磁波调控特性

人工电磁超材料具有自然界材料所不具备的电磁参数,并且拥有可设计性和可灵活调节性质,可实现对电磁波传播性能进行新的调控,是近年来的研究热点.本文介绍了一系列运用人工电磁超材料调控电磁波传播的功能器件,包括非对称电磁波传输器件、可调节电磁波吸波结构、电磁波极化调制器件,磁性光子晶体、磁性左手材料和基于超导薄膜的太赫兹人工电磁超材料,这些器件运用人工超材料的特殊物理特性和参数可设计性,具有全新的功能和优势,有效提高了对电磁波的调控能力.     

红外智能可调宽带超材料吸波体设计

设计了一种基于多开口同心银环的红外宽带超材料吸波体,在此基础上提出了基于电流变液的红外智能可调宽带超材料吸波体.采用Microwave Studio CST的频域有限元积分方法对结构单元的有关电磁参数进行仿真计算,结果表明结构单元在波长5.89um~6.4um之间吸收率保持在90%以上;将结构单元置于电流变液中,通过改变电流变液的外加电场强度可以实现吸收频带的智能调控.此外分析了宽带吸收产生的原因,探索了结构尺寸对其吸收特性的影响.该吸波体结构简单,容易制备,在红外辐射屏蔽、红外光谱检测和红外辖射探测等领域具有重要的应用价值.     

声学超表面的研究与应用进展

声学超表面是通过合理的设计规则以获得控制声波传播的新型人工结构,为声波的调控和处理提供了新的途径.阐述了声学超表面的相位调制机理,重点论述了包括空间卷绕型、Helmholtz谐振型、薄膜结构型以及其他类型超表面的不同概念和设计原理,并讨论了它们在异常反射/折射、聚焦、自弯曲等方面的相关研究及应用进展.最后,分别从超表面...     

基于功能基元拓扑优化法的任意正泊松比超材料结构设计

采用功能基元拓扑优化设计方法,以超材料结构的承载能力为目标,选取功能基元结构刚度最大化为目标函数,以指定泊松比值作为约束条件,建立了任意正泊松比超材料结构拓扑优化设计模型并求解.提取拓扑优化得到的功能基元最优构型,建立有限元模型,验算了功能基元的泊松比值.计算了基于功能基元周期性序构形成的超材料结构的面内、面外结构承载性能.结果表明,设计的超材料结构与传统多孔材料结构相比,具有更好的承载能力,具备轻量化优势.     

双光栅正弦相位调制（SPM）干涉测量技术的发展与应用

简述了正弦相位调制干涉法的发展,重点介绍了双光栅正弦相位调制在物体阶梯表面的高度差、物体表面形貌和振动物体表面形貌的等测量领域的应用,并提出了用双光栅正弦相位调制测量振动物体温度的想法。     

我校六位博士入选今年启明星计划

2007年度上海市科技启明星计划日前揭晓，我校材料学院吴永全博士的“钢液中MnO-TiOx系复合夹杂界面结构及动力学的跨尺度研究”、力学所卢东强博士的“海洋中潜航器遥感探测的水动力学基础问题研究”、新型显示重点实验室王军博士的“有机场效应晶体管的材料与器件”、机自学院谢少荣博士的“面向超小型无人旋翼机野外定点自主着陆的仿生双眼视觉系统研究”、土木系刘涛博士的“截面形状和砼强度变化对FRP加固矩形柱力学性能的影响”在激烈的角逐中胜出．此外，我校机自学院罗均博士的“基于双飞行机器人技术的航天返回舱新型搜寻方法与实验研究”入选启明星跟踪计划．     

专题：纳米材料与纳米结构

纳米科学技术已有10多年的研究历史，国际上已取得了一系列若干重要的进展：同时我国科学家在纳米科学技术研究，特别是纳米材料的研究中也做出了许多重要的贡献．为集中向读者介绍我国在纳米材料和纳米结构及相关领域的热点问题和研究进展，《中国科学G辑：物理学 力学 天文学》编辑部邀请国内这一领域的专家完成了本专题文章的撰写，内容主要来自国家重点基础研究发展计划“纳米材料与纳米结构”、国家重大基础研究“纳米计划”中材料研究课题方面的成果，希望对今后我国纳米材料的研究起到抛砖引玉的作用．     

具有零相移传输性质的超材料研究

零相移传输材料可以实现光波在数百波长传播而不引起相位变化,从而减弱了波的频谱色散问题,提高了波导间的耦合效率,因而成为光功能材料研究的热点.结合本课题组的研究工作,本文从理论和实验研究两方面对零相移传输超材料的最新进展和研究热点进行了全面地总结和评述,根据相位调制机理不同对各种零相移超材料进行了分类和归纳,进一步客观分析了各种实现方法的优、缺点及目前研究中存在的问题,并展望其未来发展方向.相关研究对拓展零相移基础物理学研究和光学器件设计具有重要意义.     

华南理工大学：产学研合作推动高分子材料新型成型装备产业化

华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心（简称“工程中心”）是我国高分子材料成型加工技术及装备研究领域唯一的国家级工程研究中心，由教育部“长江学者奖励计划”首批特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者、国家“863”计划高性能结构材料主题专家瞿金平教授领衔。工程中心自成立以来，通过承担国家“863”计划项目、国家重点科技攻关项目、国家重点新产品研究项目、国家自然科学基金、广东省自然科学基金、广州市科技攻关等多项重大研究项目，在高分子材料成型加工领域特别是聚合物动态塑化成型加工技术方面沉淀了一批具有自主知识产权的科研成果。     

金纳米粒子组装结构中的表面重组现象

以纳米粒子为基本结构单元构筑的各种二维或三维超晶格结构受到了广泛的重视。人们的兴趣一方面来源于在纳米尺度上控制材料结构,另一方面则因为组织化的纳米材料或结构具有独特的性质,以期在非线性光学、纳米电子学等前沿领域得到应用.当前研究最多的结构形式是固体表面上的纳米粒子阵列或单层薄膜,通常是胶体粒子靠某种特殊相互作用吸附或沉积在固体表面上(亦称为“纳米粒子在表面上的组装”),因此对纳米粒子及固体表     

复合相位调控的单层双功能反射型超表面

基于传输相位与Pancharatnam-Berry（PB）相位的复合相位调控机制，采用单层介质结构，提出了一种单一圆极化（circularly polarized, CP）波入射和在反射的正交双极化信道条件下实现两种独立功能的双功能超表面。推导分析了传输相位与PB相位对同极化与交叉极化反射分量的相位调控机理，并提出了实现同时调控两种分量的单元设计要求。针对单元旋转造成的PB相位失真，提出了一种加载空心圆形贴片的单元改进模型，确保了相位的稳定性。通过精确调控两极化分量的波束空间相位分布，在单圆极化电磁波入射条件下，该超表面可利用两正交极化信道同时实现两种不同功能。仿真和测试结果表明，在右旋圆极化（right handed circularly polarized,RHCP）电磁波入射下，在13~15 GHz工作频段内，所设计的双功能超表面可在同极化反射信道获得携带轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）的偏折涡旋波束，在交叉极化反射信道获得偏折笔形波束。该设计具有结构简单、加工成本低等优点，为实现圆极化信道复用与多功能集成提供了新的思路。