超材料
超材料的定义
超材料（metamaterials） 是 21 世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇1。拉丁语「meta-」可以表达「超出……、亚……、另类」等含义。 在 2004 年超材料尚未有一个严格的、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。
「超材料」一词的出现与一类被称为「左手材料」或「左手物质」的材料系统息息相关，狭义的 metamaterial 往往指的就是这类材料。左手材料（LHM，left-hand materials）的思想由前苏联人 Veselago 于 1968 年首次提出。
左手材料具有许多独特的性质2。例如：
在左手材料中传播的电磁波，其能量的传输方向与相位的传输方向相反。
在正常材料中存在多普勒效应，而在左手材料中存在逆多普勒效应：由于相位的传输方向与能量的传输方向相反，当接收器向波源运动时所接收到的电磁波频率小于波源发出的电磁波频率。
随着研究工作的深入，超材料的范围已经远远超出了左手材料的范围。
2016 年《电磁超材料术语》正式实施，成为全球第一份超材料领域的国家标准3。在《电磁超材料术语》中超材料（metamaterials）定义为一种特种复合材料或结构, 通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计, 使其获得常规材料所不具备的超常物理性质4。
超材料的基本设计思路
超材料的基本设计思路是：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5。
超材料具有 3 个重要特征
超材料 1）具有特殊人工结构，2）具有超常的物理性质，3）性质往往不主要决定于构成材料的本征性质而取决于其中的人工结构6。
超材料的分类
依据超材料的应用领域，超材料基本上可以分为四大类：电磁超材料（electromagnetic metamaterials）、声超材料（acoustic metamaterials）、热超材料（thermal metamaterials）和机械超材料（mechanical metamaterials）78。
References
Fan, J. , et al. "A review of additive manufacturing of metamaterials and developing trends." Materials Today 25(2021).↩︎