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混合96院友陈红胜教授用玻璃制造出“隐身衣”可使生物隐形
 

发布人员: tangz            发布时间:11/25/2013 6:26:00 PM         访问次数:2697

    披上一件隐身斗篷,在人们的视野中瞬间遁形,这是人类长期以来的梦想之一。日前,一只猫和一条金鱼比人类提前“享用”了一种隐身衣1024日,浙江大学国际电磁科学院陈红胜教授课题组在《Nature Communications》上发表的一篇论文报道了该课题组的最新进展,他们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。

让光线转弯

    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,但这种技术并不是人们通常所理解的隐身。”陈红胜说。

    2006年,英国帝国理工学院Pendry等在Science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,从而可以使物体完全隐形。这是隐身衣设计的“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。

    “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,就像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。”陈红胜说,要实现Pendry “完美隐身”的理想,要非常精密的纳米加工技术,目前还无法实现,我们必须进一步对理论进行简化,才有可能在不同的电磁波频段里研发出可以实用的“隐身衣”。

聚焦可见光波段

    陈红胜课题组近两年的研究,聚焦如何在可见光波段实现物体隐形,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,结合这一特性,他们对Pendry提出的理论体系进行进一步简化,剔除理论中光线保持相同相位的条件,这样,“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。”

    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。“但是这种材料的尺度很小,且只能对某个极化的光才可以隐形,又无法大规模制备,我们需要进一步研究适用于大尺度器件的材料和方法。”课题组成员,博士生郑斌说。

    2013年,通过进一步的理论分析,课题组对隐身器件的参数进行优化,并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。实验显示,一只蹲在六边形隐身装置的小猫,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。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。

    截止目前,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。团队在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。

隐身衣

    隐身衣理论体系的提出者Pendry看到了这一研究进展,他在接受英国《卫报》采访时表示,这项工作是隐身衣研究领域“一个真正的进步”,此外,他在接受《自然》记者采访时进一步指出:“每个人都想拥有一件在可见光频段下能够隐藏现实世界中很大物体的隐身衣,但是要达到这点需要对理想的隐身衣理论进行一些折中设计,”他认为陈红胜和他的同事们在这方面走的比大多数更远,他们剔除了透射波相位要求保持一致的条件,“结果,他们实现了尺度相当大的可见光隐身器件”。

    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。通过许多科学家的努力,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,相应的实验工作也比较少一些。目前国际上这部分的实验工作大部分集中在微波波段。

    陈红胜教授的工作属于上述第二类型的隐身器件。从应用的角度出发,隐身如要能有较好的应用,必须要能够工作在宽频带、全方向、全极化,要实现这个最终目标难度非常大。陈红胜的这项研究目前虽然还只能在几个方向上可以有效地隐身,但是可以工作在整个可见光频段和任意极化的光波。

(周 炜)