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超材料指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。

超材料拥有一些特别的性质，比如让光、电磁波改变它们的通常性质，而这样的效果是传统材料无法实现的。其成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小，奇异性质使它具有广泛的应用前景，从高接收率天线，到雷达反射罩甚至是地震预警等。其中的微结构，大小尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响。对于超材料的初步研究是负折射率超材料。

超材料核心特征

• 人工结构主导性能

通过精密设计微结构(如开口谐振环、金属线阵列等)，实现负折射率、零/负介电常数、负磁导率等反常电磁响应；

• 跨学科属性

囊括电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、经典光学、材料科学、半导体科学以及纳米科技等多个领域；

• 按需定制功能

可针对特定波段(微波、太赫兹、红外、可见光等)或物理场(电磁波、声波、弹性波等)进行功能设计。

超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地 。典型的“超材料”有“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料” 、“金属水”。

超材料的类型

1、自我修复材料：仿生塑料

伊利诺伊大学的Scott White研发出了一种具备自我修复能力的仿生塑料。这种聚合物内嵌有一种由液体构成的“血管系统”，当出现破损时，液体就可像血液一样渗出并结块。相比其他那些只能修复微小裂痕的材料，这种仿生塑料可以修复最大4毫米宽的裂缝。

仿生塑料是生物模拟实现的化学制品，它利用细菌、植物、动物或某种生物功能的特性，开发出符合生物的环境友好耐久性的材料。它的开发为想模拟生物的性能打开了不同维度的路径，比如弹性、耐久性、可加工性等。从宏观来看，仿生塑料由两部分组成：有机分子和无机环境，模仿了生物物质的自然播种。

• 从有机分子组成来看，仿生塑料由一回塑料/加工形态，尤其是微流体影响自由的褶皱，以及蛋白、碳纳米管等组成。而且，还可以加入抗菌性的细菌，让仿生塑料具有抗病菌性能。

• 从无机环境来看，仿生塑料的基本结构是由高分子聚合物组成的，它可以模仿手臂、腿、头部等所有生物物质的形状和力学特性。它具有很强的耐磨性、耐久性和质变性，可调节的形状可以很好地拦截外界所施加的暴力。

• 从应用来看，其主要应用于军事、汽车和航空尖端技术，它能被用于穿甲装甲板，更贴合人体曲线，环保性更高，不会污染空气和水质；在航空和汽车中，它可以用于空气动力系统、动力结构系统以及机翼和发动机护盾，可以替代金属，可以减轻机身重量，提高效率。

2、热电材料

一家名为Alphabet Energy的公司开发出了一种热点发电机，它可被直接插入普通发电机的排气管，从而把废热转换成可用的电力。这种发电机使用了一种相对便宜和天然的热电材料，名为黝铜矿，据称可达到5-10%的能效。科学家们已经在研究能效更高的热电材料，名为方钴矿，一种含钴的矿物。

热电材料是基于塞贝克效应(温差发电)和珀耳帖效应(热电制冷)实现热能与电能直接转换的功能材料。其核心性能指标为热电优值ZT，主要材料包括碲化铋、碲化铅及硅锗合金，该材料具有无运动部件、零排放、长寿命等特点，通过纳米结构设计可实现性能优化。

热电材料目前已经开始了小规模的应用，比如太空探测器供电(如旅行者一号)、工业废热回收及柔性电子设备等。2025年青岛科技大学团队开发出兼具弹性和热电性能的N型热电弹性体，适用于可穿戴设备；中国科学家团队研制聚合物多异质结(PMHJ)结构柔性材料，ZT值达1.28，接近商用块体材料水平；河北工业大学研制的离子热电水凝胶实现-38.6 mV/K塞贝克系数与382.5%断裂伸长率，适用于自供能传感器；东华大学通过原子级界面强化策略提升镁基器件热循环稳定性；哈尔滨工业大学开发铋化镁单晶热电材料，拓展人体体温发电应用等。

3、钙钛矿

钙钛矿是一类具有特定晶体结构的化合物材料，它们可以包含任意数量的元素，其名称来源于早期发现的钙钛矿矿物——钛酸钙。这种化合物有个特点，即它们的晶体结构都具有一个 “框架”，这个框架由三种不同的组分组成，被称做A、B和X。

• A组分通常是半径比较小的一价阳离子，比如铯、铷，也可以是半径较大的有机胺离子；

• B组分通常为二价过渡金属阳离子，如铅、锡等；

• X组分则为卤素阴离子，如氯、溴和碘。

钙钛矿以其优异的光电性能、可设计性强、制备工艺简单和原材料丰富等优势，目前在太阳能电池、发光二极管、光电探测器等领域有广泛应用。在2009年，使用钙钛矿制作的太阳能电池具备着3.8%的太阳能转化率；到了2014年，这一数字已经提升到了19.3%；相比传统晶体硅电池超过20%的能效；科学家认为，这种材料的性能依然有提升的可能。

除晶体硅外，钙钛矿也可用来制作太阳能电池的替代材料。钙钛矿电池具有制备工艺简单、成本低廉、可柔性化等优势，被认为是下一代太阳能电池的重要发展方向。钙钛矿是人工合成的材料，根据不同的材料配比，带隙可调节，并可与晶硅做成叠层电池。带隙是半导体可以吸收的最低能量，半导体无法吸收能量小于带隙的光子，能从光子获得的能量也不会超过带隙能量。

钙钛矿材料与晶硅材料或和经人工调整的钙钛矿材料叠层后，就可覆盖大范围带隙，因而能够吸收不同波长的光。目前单结钙钛矿电池理论效率为31%，与晶硅叠层理论效率超过43%。相比晶体硅，这些原材料要便宜得多，且能被喷涂在玻璃上，无需精心组装。

4、气凝胶

气凝胶是指通过溶胶凝胶法，用一定的干燥方式使气体取代凝胶中的液相而形成的一种纳米级多孔固态材料。一般常见的气凝胶为硅气凝胶。气凝胶具有凝胶的性质，如膨胀作用、触变作用、离浆作用，并具有低密度、低导热性、高孔隙率、耐高温、不燃等特性。

气凝胶是世界上密度最小的固体，2022年度化学领域十大新兴技术之一。按主要成分可分为硅系、碳系(包括石墨烯气凝胶、碳纳米管气凝胶等)、金属氧化物系、有机气凝胶及有机-无机杂化气凝胶等。由于空气占了绝大部分比重，气凝胶还是一种绝佳的绝缘体，它的结构也赋予其超高的强韧性。

在热学、电学、光学、声学、吸附催化等方面，气凝胶均表现出优异的性能，这使其在航空航天、建筑节能、化工工业、电子电工、生物医药等领域有着广阔的应用前景。NASA的科学家已经在实验一种由聚合物所制成的柔性气凝胶，作为太空飞船在穿过大气层时的绝缘材料。

5、Stanene——导电率100%的材料

和石墨烯一样，Stanene(锡烯)也是一种由单原子层所制作的材料，是一种由单层锡(Sn)原子构成的二维材料，具有类似石墨烯的蜂窝状晶格结构，但因锡原子较重，其结构通常呈现褶皱状。由于使用了锡原子而非碳原子，这使其具备了石墨烯所无法实现的特性——100%的导电率。

• 拓扑绝缘体

理论上，stanene在室温下可实现量子自旋霍尔效应，即电子仅沿材料边缘无阻力传导，内部绝缘；

• 强自旋轨道耦合

源于锡的高原子序数，使其能带在布里渊区中心打开数百meV的能隙，有利于实现室温拓扑输运；

• 超导性

实验已在薄层(2原子层及以上)stanene中观测到二维超导电性，而且超导与拓扑边缘态可共存；

• 高稳定性

部分制备的stanene薄膜在大气环境中可保持性质超过三个月。

目前，Stanene在低功耗电子器件、拓扑量子计算和纳米医学等方面有很好的应用。

• 低功耗电子器件

因零耗散导电特性，可用于下一代超高速、低发热芯片互连。

• 拓扑量子计算

超导+拓扑边缘态的共存为实现一维拓扑超导和马约拉纳费米子提供平台。

• 纳米医学

锡烯基纳米片可作为超声/光热双模态治疗剂，用于癌症联合治疗。

6、光操纵材料

光操纵材料是指能够通过外部光场(如激光、LED等)实现对光的传播、吸收、反射、折射、偏振或相位等特性的主动调控的一类功能材料。这类材料广泛应用于光电子、信息存储、通信、传感、成像及“隐形”技术等领域。

• 超材料(Metamaterials)

通过人工设计的微纳结构实现对电磁波(包括可见光、太赫兹、微波等)的非自然操控，例如实现负折射率、电磁隐形等。典型应用有隐形斗篷、超透镜、太赫兹调制器等。

• 光致相变材料

在超快光脉冲激发下，材料发生从电子跃迁到宏观物性(磁性、导电性、颜色等)的转变。

• 反铁磁材料的光操控

利用太赫兹激光精准刺激反铁磁材料(如FePS₃)中的原子自旋，实现磁态切换，可用于低功耗、高速内存芯片。磁态转换后即使关闭光仍能保持数毫秒，具备非易失性潜力等特点。

• 二维光调控材料

如铁电材料CuCrP₂S₆(CCPS)，可高精度、低损耗调制光的相位与折射率，适用于集成光子电路、神经形态计算、环境传感等。

• 光响应高分子与液晶弹性体

含偶氮苯基团的材料在紫外/可见光照射下发生可逆顺反异构，导致宏观形变(如弯曲、收缩)，形变量可达20%。应用于柔性执行器、光驱动机器人、可重构光学元件等。

• 智能光学功能材料

包括光致变色、电光、磁光、热光等材料，可通过外场调控光的强度、频率、偏振等。

典型应用场景

• 光存储与计算

飞秒级响应材料推动超快非易失性存储器和全光逻辑器件发展。

• 隐形与伪装

超材料或a-MoO₃实现近完美电磁隐形。

• 智能显示与传感

光致变色材料用于自适应窗、高对比度显示、生物传感器。

• 节能建筑

近红外反射颜料（如ITO、ATO纳米粒子）降低室内升温。

• 6G通信与太赫兹技术

光掺杂硅基超材料实现动态波束控制。

超材料是“材料”又不是“材料”,说其是“材料”是因为其结构组成材料是现实存在的，说其不是“材料”是因为其通过微结构的设计实现了目前自然界现有材料所不具备的物理特性。未来，超材料将有可能成为一种前途不可限量的新型材料，但是目前距离真正大规模的产业化还有一定距离，有许多的难题有待克服，这也将成为未来超材料研究的主流方向，并可能出现因技术的进一步突破取得更多成果的领域。