手性超材料的设计、电磁特性及应用

综述了手性超材料最新研究进展。首先根据超材料的维度以及内在手性和外在手性对手性材料进行了系统的分类。在此基础之上,分析了几种典型的具有手性的超材料结构,并对其电磁性质进行了研究。最后对手性超材料的应用进行了分析,例如利用手性实现负折射率,利用手性超材料来增强生物传感以及基于手性的偏振器件。手性超材料的研究将会促进光电、纳米、生物等学科的发展,并具有广泛的应用前景。     

三单元同构/异构MSC串联折纸结构的实验分析

为了探究多单元同构/异构折纸超材料非常规的几何与力学特性,设计并制作了三单元同构/异构(MSC)串联折纸结构并进行拉伸实验,得到结构力-位移曲线．通过离散积分获得结构势能-位移曲线,通过中心差分获得刚度-位移曲线．对三种曲线进行多项式拟合,给出本构模型的近似解析表达式．结果表明：三单元异构MSC串联折纸超材料的单元遵循刚度小先变形原则,并且展开过程中存在四个稳定构型;三单元异构结构的构型切换拥有可编程性;当结构中存在同构单元时同构单元变形顺序存在一定随机性;折纸超材料本构近似解显示出强非线性,拥有刚度可变的特点．研究结果不仅可以为该结构在工业方面的应用提供设计依据,而且还可以将结果推广到拥有任意同构/异构单元数量的串联折纸超材料,推动多单元折纸超材料研究领域的发展．     

一种小型化电负超材料单元在微带天线阵解耦中的应用

提出了一种小型化电负波导超材料单元,深入研究了其电磁特性,并通过MATLAB编程提取了它的本征参数,证明了其电负特性。根据其在电负频段谐振产生阻带这一特性,设计了一款工作在WIMAX(3.5 GHz)的2单元微带天线阵。与参考天线阵相比,加载超材料单元的天线阵互耦下降了8.3 dB,天线间距缩小为λ/14(λ为天线在自由空间工作波长),并且天线阵的远场辐射性能还有所提高。因此,该新型电负波导超材料单元在设计高性能天线阵方面具有广阔应用前景。     

盘绕型声学超构材料的近零折射率特性研究

近零折射率材料是一类等效质量密度和等效体模量的倒数同时趋于零或者其中之一趋于零的声学超构材料,在近零折射率声学超构材料中声波会表现出声速无穷大、高效声传输等特性,这些特性为声波调控带来了一些独特的应用.以圆形盘绕型结构为基本单元,该基本单元通过对空间的卷曲和盘绕,大大增加了声波在单元中的传播路径.通过对单个圆形盘绕型基本单元的等效参数进行计算,得到基本单元近零折射率特性所对应的频率点,以具有此近零折射率特性的结构为基本单元来构造声学超构材料.通过利用超构材料对刚性散射体进行不同方式的包裹以实现声隐身效应.此外,利用该基本单元对不同形状的弯曲波导管进行填充实现了声波隧穿效应.     

基于集总电阻的超宽频带超材料吸波体设计

设计了基于集总电阻的超宽频带微波超材料吸波体,并通过仿真和实验进行了验证.依据等效媒质理论,通过S参数反演法计算了加载集总电阻的超材料吸波体结构等效电磁参数.结果表明:复合结构吸波体超宽频强吸收特性源于良好的阻抗匹配以及电谐振和磁谐振.此外,设计的复合超材料吸波体具有极化不敏感和宽角度吸收特性.最后,通过实验测试得到的复合超材料吸波体吸收率大于85%的相对带宽达到130.2%.设计的超宽频带吸波体将在电磁能量捕获和隐身领域具有广阔的应用前景.     

超声脑成像和经颅超声传感增强方法

超声脑成像技术在脑疾病的诊断和治疗方面有着广泛的应用前景，具体包括超声多普勒成像、超声造影成像、超声定位显微成像、超声弹性成像和时延校正成像。由于颅骨声阻抗与背景介质声阻抗存在显著差异，超声经颅传播时会产生强烈的反射、衰减、波形畸变等，导致超声图像的信噪比降低。针对此问题，本文介绍了基于变换声学理论的颅骨互补声学超构材料设计方法，并通过仿真来验证该方法的有效性。仿真结果表明：具有各向异性参数分布的双负声学超构材料能够抵消颅骨畸变层带来的声衰减及波形畸变，使声波在几乎不造成能量损失的情况下通过颅骨畸变层，从而实现超声透射传感增强。该方法对研究基于声学超构材料的无创高分辨率超声脑成像技术具有重要意义。     

专题：超材料电磁调控特性及应用（续）

超材料是指在微观和宏观尺度之间引入中间尺度结构单元，通过这些结构单元及其空间序构实现特定功能的人工复合材料或结构。由于结构单元及其空间序构的精确可设计性，超材料可对电磁波的幅值、相位、频率、极化、模式等各种特性进行灵活调控，在隐身、电子对抗、通信、成像、能源等领域具有广阔的重要应用前景，被列入“六大颠覆性基础研究领域”之首位。本专题依托国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”、重点专项“微波毫米波数字编码和现场可编程超构材料的理论体系与关键技术”、基础加强计划重点基础研究项目“基于新型结构功能材料的某机制研究”、国家自然科学基金“基于圆二色性的多维度调制超表面及其应用研究”“基于相位梯度超表面的电磁信号调制技术研究”“基于多模式复合色散调控的消色差超材料功能器件设计及应用研究”等军内外基础研究项目设立，聚焦国内超材料研究的最新发展动态，汇集国内优秀团队的最新研究成果，以期增进国内超材料领域的学术交流和应用技术探讨，[JP2]促进超材料基础研究和技术创新应用的发展。本期专题采用在线支撑材料等增强出版形式，以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

一种具有宽频效应的声学超构材料

通过周期性排布具有不同谐振频率的亥姆霍兹共振器,构建了一种宽频带负体弹模量的声学超构材料.首先基于局域共振理论和有效媒质理论,阐述了负有效体弹模量产生的机理并给出了理论表达式,然后利用有限元仿真得到了该超构材料的透反射系数,并用提取参数法计算了有效体弹模量.结果表明,设计的超构材料在673~1 245 Hz的宽频范围内实现了负有效体弹模量.这种设计思路为构建宽频带负声学参数超构材料提供了一种新途径.     

“π”型双频负折射率超材料

基于有效媒质理论,设计了一种"π"型光频段电磁超材料.仿真结果表明,这种超材料能够在550.4THz和577.8THz 2个频率附近产生谐振,并且在谐振频率附近样品的介电常数和磁导率同时为负值;通过将"π"型单元排列成楔形结构,验证了电磁超材料的负折射性能;进一步的研究证实,这种超材料的电磁响应与前后"π"型结构之间的旋转角度密切相关.另外,这种"π"型电磁超材料具有较低的能量损耗,弥补了其他渔网结构损耗高的缺陷,同时也为设计可见光频段的多频电磁超材料提供了一种新模型.     

准Λ-型原子系统中通过原子相干所实现的光学双稳态和多稳态

在单向循环腔中,研究了一个被耦合场和探测场来驱动的准Λ型原子系统的光学双稳态和多稳态行为.考察了耦合场强和频率失谐量对光学双稳态和多稳态行为的影响.发现光学双稳态到多稳态的转换或逆转换可以通过改变耦合场的强度或改变耦合场的频率就可以实现.原子合作参数对光学多稳态的影响也得到了讨论.     

宽频带超材料微波吸收结构研究

将3D超材料吸波结构和磁性吸波材料相结合使用,对宽频带微波超材料吸收结构进行了设计优化和电磁场仿真研究.利用磁性材料本身的电磁波吸收性能和周期性超材料吸波单元的频率可设计性,并充分考虑了3D渐变单元的电磁场匹配和多次反射吸收的情况,设计了由圆台形单元组成的周期性吸波结构:每个圆台由20层尺寸渐变的金属谐振单元和以羰基铁粉为吸波填充材料的磁性复合层相间堆叠而成.采用电磁仿真软件CST Microwave Studio进行了结构设计以及吸波效果和电磁场分析,结果表明:此结构在4.5 G～18 GHz频率范围内电磁波吸收效果较好,正入射的吸收率大于90%.仿真和分析结果也表明,吸波材料和超材料相结合,在厚度不超过5 mm的情况下,所能够实现的吸波频率的下限约为4 GHz.     

准∧-型原子系统中通过原子相干所实现的光学双稳态和多稳态

在单向循环腔中,研究了一个被耦合场和探测场来驱动的准∧型原子系统的光学双稳态和多稳态行为．考察了耦合场强和频率失谐量对光学双稳态和多稳态行为的影响．发现光学双稳态到多稳态的转换或逆转换可以通过改变耦合场的强度或改变耦合场的频率就可以实现．原子合作参数对光学多稳态的影响也得到了讨论．     

偶氮苯饱和吸收的光学双稳态的稳态理论研究

通过理论模拟,研究了稳态条件下,基于偶氮苯光致异构的饱和吸收效应的光学双稳态性质.首先计算了在饱和吸收条件下样品的透射率随入射光强的变化关系,然后计算在饱和吸收条件下光学双稳态过程.结果表明,在稳态条件下,基于偶氮苯的光致异构过程能够实现光学双稳态的开关过程,光学双稳态开关过程主要受以下3个因数影响:①样品的温度(用K参数表示),研究表明偶氮苯稳态条件下开关过程随K值的增大而明显增强;②反式偶氮苯分子的吸收截面σT,双稳态开关过程随σT的增加而增强;③顺式偶氮苯分子的吸收截面σC,开关过程随σC的增加而减弱.     

双稳态孤子与其光学转换

对于有一定非线性的薛定谔方程,存在单孤子解的多稳态,也就是说对于相同能量,单孤子具有不同的传输常数。以一非线性（LSS）模式为例,对孤子的双稳态进行理论分析,并对其双稳态转换进行数值模拟。     

宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料设计

超材料具有传统材料所不具备的超常物理性质,对电磁场、声场等物理场可以实现自由调控。设计了一种由多尺寸的亥姆霍兹共振器和多尺寸的金属谐振结构组成的宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料,实现了对声波和电磁波的宽频双吸收。仿真结果表明：文中提出的超材料在690~927 Hz范围内具有0.8以上的高吸声系数,在9.11~11.10 GHz范围内对微波具有0.8以上的吸收系数。所提出的多功能超材料对于声波及电磁波均具有宽频、高效的吸收作用,在噪声污染防治和电磁防护方面有潜在的应用价值。     

附加薄膜-质量块谐振器的Herschel-Quincke管及基于该结构的隔声帘的研究

声学超材料在声音和振动的消除领域具有很好的应用前景.由于薄膜材料具有轻质且可以实现低频隔声的特点,薄膜型声学超材料受到广泛的关注.提出一种附加薄膜-质量块谐振器的Herschel-Quincke (HQ)管,通过理论分析及有限元仿真和实验的方法验证了该结构在HQ管道和薄膜-质量块谐振器耦合作用下可以实现低频多带的消声性能.此外,还设计了一种前、后附加薄膜-质量块谐振器的方形盒子单元结构,并基于该结构提出了一种隔声帘结构.隔声帘结构为多个单元组成的二维阵列结构,每个单元由前、后附加薄膜-质量块谐振器的长方体盒子构成.通过有限元模拟验证了该结构具有较好的低频宽带的自由场隔声性能.     

“金属配合物激发态的基础与应用研究”年度报告

(1)应用量子理论,在Marcus理论基础之上,研究了蓝色磷光体系三芳基Pt配合物的发光性质,并提出了量子效率优化方案。扭曲结构D-A分子具有局域和电荷转移杂化态HLCT性质,在理论上形成单三线态激子时也有可能突破量子自旋统计,即单线态激子的形成比例会超过25%,同时材料本身也有较高的光致发光效率,因而在电致发光器件方面可能会有很好的性能。(2)设计合成了一系列含有配位碳原子的四齿配体,并进一步合成了基于这些刚性配体的铂(II)配合物,通过稳态光谱和超快光谱对铂(II)配合物的光物理性质进行了深入研究,利用密度泛函理论对配合物的基态和激发态性质进行了理论分析,总结了电荷跃迁位置和类型变化的控制因素,探索了这些强磷光材料在光电器件中的应用。(3)在强磷光发射和长激发态寿命的金(III)和钯(II)配合物及其在光催化太阳能转换、能量上转换、双光子吸收和磷光OLED中的应用等方面取得了阶段性进展。(4)在廉价金属(锌、铜和钨)配合物荧光/磷光材料的设计合成及光电应用、不含金属的有机小分子磷光发射方面取得突破性进展,观察到了有机分子的电致磷光。(5)以三核吡唑基d10金属(Cu I,Ag I,Au I)配位单元为主要研究对象,通过合成和配体设计对三核单元间的聚集态结构进行调节,实现了对其聚集体的光物理过程的调控。(6)利用晶态光功能配位超分子聚集体的协同作用、异相反应和动态孔性,进行了研磨致发光变色、异相催化和染料降解、选择性发光传感等应用研究。对于非晶相光功能配位超分子聚集体这类软物质材料,主要探索了其在纳米结构和生物体系中的抗癌活性等方面的应用研究。(7)将动态共价键引入到超分子聚集体的合成中,通过次级组分自组装的技术,成功制备了两类新型的咪唑配位超分子聚集体,首次实现了次级组分自组装合成,为合成新的光功能配位超分子聚集体提供了新思路。(8)设计和合成了16个光敏剂和催化剂。系统研究了这些化合物光的吸收、电子的激发和电荷传递过程。在电子给体存在时,对3组分光催化制氢体系的产氢活性进行了研究。此外,对光催化化学转换研究和转换机制研究也取得了新的研究结果。(9)发现了具有低三线态能级的蓝光磷光主体材料,为新型磷光主体材料的设计提供了新的思路;提出了"Hot exciton"机理及杂化局域-电荷转移(HLCT)态材料,有可能成为低成本高效率的新一代材料。     

鱼刺状宽带超材料吸波体设计研究

实现宽带吸收是超材料吸波体研究面临的主要问题之一.基于此设计了鱼刺状宽带超材料吸波体,采用商业电磁仿真软件Microwave studio CST对超材料吸波体的吸收性能进行了计算和分析,结果表明设计的鱼刺状超材料吸波体可以在较宽的频率范围内实现电磁波的高吸收,在89.68~94.36GHz之间吸收率保持在90%以上.结构单元具有简单、较容易制备等优点.     

针织结构增强材料能量吸收特性的研究进展

回顾了纤维增强复合材料能量吸收特性的研究进展,总结了研究复合材料能量吸收特性的一般思路和方法,并重点分析了针织结构复合材料冲击能量吸收的机理、特点和研究进展状况,探讨了深入理论研究针织结构增强材料能量吸收特性的方法和意义。     

钢筋砼结构材料非线性本构关系及有限元法研究

随着工程结构问题研究发展的深入和电子计算机的迅速发展,非线性有限元法在钢筋混凝土结构分析中得到了越来越广泛的应用。与线弹性有限元法相比,非线性有限元法具有"全过程仿真"的特点。本文对钢筋砼结构材料非线性本构关系及有限元法的特点、研究进展、存在问题做了分析和评价;重点探讨了非线性分析中所使用的材料本构方程、材料非线性有限元分析方程和有限元程序的编制。最后对上述研究进行了概括并提出了应用前景。