浙江大学使用玻璃造出可使生物隐形的器件

中国教育装备采购网2013-11-04 11:08围观107次我要分享

  披上一件隐身斗篷,在视野中瞬间遁形,这是人类长期以来的梦想。日前,一只猫和一条金鱼比人类提前“享用”了一种隐身衣。浙江大学国际电磁科学院陈红胜教授课题组与新加坡南洋理工大学张柏乐教授等研究团队合作,使用玻璃制造出了可见光波段的生物隐形器件。这一最新成果发表在NatureCommunications上。

  金鱼游过放置在水中的隐身器件时,隐身效果很明显。

  要隐身,进入隐身衣的光线必须跑得比外部光线快

  在这个课题组的实验中,一只蹲在六边形隐身装置里的小猫,在特定的某个角度,光线可以直接绕过小猫,并回到原来的路径出射,产生小猫“隐身”的效果。为了探究隐身衣对不同生命环境的适应性,课题组还研发了一组适用于水中隐形的装置:金鱼游进这件“隐身衣”,身后的物体仍然一览无余。

  “这意味着隐身器件不仅能够隐藏像猫、鱼这样大的物体,生物还能和隐身器件一起活动,隐身效果并不会因此受到影响。”陈红胜说。

  陈红胜介绍说,要研究“隐形”,就要先明白物体为什么会“显形”:当电磁波照射到物体上时,会在物体上发生散射。散射的电磁波被人眼等“感应器”接收,就能识别那里存在物体。

  “目前应用的隐身技术,大部分是通过吸收电磁波,让反射回去的电磁波达到最小,比如在可见光频段,这种技术就相当于给物体穿了一件不反射光波的黑色的衣服一样,在黑暗的背景中不会被发现,但是在明亮的背景中却反而更易被发现,因此这种隐身技术并不是人们通常所理解的隐身衣技术。”陈红胜说。

  2006年,英国帝国理工学院研究者在《科学》杂志上发表文章,提出了利用坐标变换的方法设计隐身衣,既不反射也不吸收电磁波,使电磁波能够绕过被隐身的区域,按照原来的方向传播,从而使物体完全隐形。这个隐身衣设计的“殿堂级”理论,奠定了隐身衣研究的理论体系。它的核心思想是:通过材料表面折射率的改造,让光线“转弯”绕过物体按原方向传播,就能将物体隐藏。此后,隐身衣的研究得到飞速发展,近年来成为电磁学、物理学、光学、材料科学及交叉学科非常前沿和热门的研究领域之一。

  陈红胜打比喻说,就像小溪里的流水,经过一块石头时,溪流会绕过石头后再合拢了继续向前,如同没有遇到过石头一样。进入隐身衣的光线要绕过物体,所以走过的路径长;没有进入隐身衣的光线是一条直线,走过的路径短。完美的隐身衣要求所有的光线保持相同相位,因此进入隐身衣的光线必须跑得比外部光线快,这就要求隐身衣的材料对不同光线具有不同的折射率。

  但要实现“完美隐身”的理想,需要非常精密的纳米加工技术,目前还无法实现,必须进一步对理论进行简化,才有可能在一个频带较宽的电磁波频段里研发出可以实用的隐身衣。

  从让筷子隐形,到隐身衣尺寸变大,隐身性能不断提升

  此次最新进展,源于陈红胜课题组近两年聚焦如何在可见光波段实现物体隐形的研究。也就是说,怎样让物体在人的肉眼前遁形。他们提出了一种可见光波段多边形隐身衣的设计方法,通过均匀线性光学变换的方法,设计并简化了隐身衣的各个部分的参数,对于隐身衣从理论走向实用起到了促进作用。

  “人眼对光线的相位和略微延时并不敏感,”陈红胜说,通过对理论体系进行进一步简化,“隐身器件能够使用更加易得的材料,也不需纳米级工艺雕琢,降低了隐身衣的设计和实现难度。”

  在2012年,陈红胜课题组用一种自然界存在的双折射晶体研发了一套柱形隐身器件,实现让一根筷子粗细的物体隐形。2013年,课题组对隐身器件的实现方案进行了全面的评估和设计,最终选用在工业上可以大规模制备的一种玻璃作为隐身衣的材料,将隐身衣的“尺寸”扩增到直径分米量级以上,并且可以在任意极化的自然光下隐身。

  截至目前,这一可见光频段的隐身器件还只能在特定的角度上取得理想的隐身效果,如六边形隐身器在正对六条棱角的角度具有较好效果,而多边隐身器仅有两个角度能够实现隐身。

  陈红胜表示,这一隐身器件将有望在安全、娱乐和监控应用领域发挥作用。下一步将着力提升隐身的性能,如增加隐身角度、减轻装置的重量等。

  离应用很远,但“哈里·波特”式的隐身衣有望成真

  陈红胜说,由于隐身衣的研究存在几个主要的技术瓶颈,如材料参数苛刻、不够轻便等,因此目前隐身衣的研究主要还处于实验验证及测试阶段,离应用还有很长的距离。

  据介绍,目前隐身器件实验研究方面进展主要可以归为两类:一类是地毯式隐身器件,物体躲在地毯式隐身器件下面,对于上面的观察者来说,看到的效果就像平整的地面一样,由此可以使物体得到隐身,这一类地毯式隐身器件要求物体不能脱离地面,主要是基于光线的反射,参数上相对容易实现一些。通过国内外科学家的努力,目前地毯式隐身器件已经从微波段做到了光频段,并且隐身的尺度也从几个波长的大小到达几千个波长的大小。

  第二类是人们通常所理解的“哈里·波特”式的隐身衣,可以脱离地面移动,这类隐身衣要求光线能够绕过中间的隐身区域,参数要求更加苛刻一些。由于工艺设计的限制,目前国际上这部分的实验工作主要还是集中在微波波段。

  陈红胜等人的工作属于上述第二类型隐身器件的研究。如从应用的视角来看,可见光隐身如要能有较好的应用,必须要能够宽频带、全方向、全极化工作,要实现这个最终目标难度非常大。

  尽管如此,陈红胜课题组和合作团队的这项研究可以工作在整个可见光频段和任意极化的光波,并选用了在工业上可以大规模制备的玻璃来实现,将这类隐身器件的设计及实现的难度大大降低,预计未来这类隐身衣有望加速走入到人们的日常生活中。

来源:人民日报

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