Liam Critchley 寫道，復合材料可以為電子設備帶來獨特的性能，以提高聲學、熱或電磁性能。

超材料是由至少兩種不同材料組成的人造復合材料。它們擁有大量微小的材料結構，這些結構被排列成 3D 結構。這些單獨的結構中的每一個都被稱為“超原子”，并具有天然材料中沒有的特性，包括控制電磁波的能力。

電磁波的彎曲通常相對于入射方向呈正方向。這稱為正折射率。然而，超材料的主要特征是它們具有負折射率。超原子比電磁波長小，因此它們會導致穿過它們的任何電磁波發生負彎曲。這是超材料所獨有的。

超材料分類

超材料通常分為兩種類型。第一種是控制波傳播的波超材料，第二種是控制擴散過程的擴散超材料（圖1）。

圖1：不同類型超材料的圖形表示

超材料可以在一系列應用中控制不同的電磁波，例如聲波或光波。眾所周知，超材料具有一系列特性，包括控制電磁輻射方向的能力。它們具有獨特的特性，例如負折射率，但也具有電磁隱蔽以及負介電常數和磁導率特性。

電子設備中的超材料

熱超材料可以為電子設計帶來很多好處。電子元件很容易被高溫損壞，而納米電子學、3D集成電路和柔性電子學的出現使得這些復雜架構中的熱管理變得困難。

它們可用于改善散熱、提供熱屏蔽和減少電子設備中的熱串擾，以及反射光線并防止來自外部來源的設備溫度升高——對于暴露于更強電磁波的航空航天、衛星和空間技術非常有用。

熱超材料也被用于熱電設備，將車輛和設備發出的廢熱能（紅外波）轉化為電能。

復旦大學物理系黃繼平教授表示：“熱超材料主要有三個應用領域，”熱超材料可用于紅外輻射的熱保護;熱斗篷、集中器和旋轉器可用于更高級的熱管理;輻射冷卻膜可用于無能耗冷卻。（見圖 2)

圖2：用熱超材料構建的熱斗篷集中器裝置的描繪[來源：黃吉平]

黃繼平表示，熱材料可以從許多領域中受益，例如“能量轉換系統、汽車熱管理系統、太陽能熱發電，并且正在研究將熱超材料用于熱傳感器、二極管和零能耗絕緣”。

熱超材料的設計在很大程度上依賴于熱學（物理學的子領域，即熱的科學研究）。黃繼平表示：“熱超材料的獨特性能源自傳統的變化熱學，并依賴于復雜的結構和各向異性材料性能。

這就是為什么超材料的特性是獨一無二的，因為天然材料往往是均勻和各向同性的。

然而，設計熱超材料并不簡單。黃吉平還指出，“傳統的熱器件制造技術通常與特定的幾何形狀和層狀結構有關，這限制了它們在制造復雜或不規則形狀（例如超材料）方面的靈活性”。

黃繼平接著說，“數值優化、深度學習和拓撲優化方法增強了熱超材料器件的性能和適應性，而共形變換理論減少了超材料設計中的幾何約束”。

已經有商業化超材料系統投入使用，但黃吉平認為，“熱超材料的未來設計有望變得更加智能和高效。隨著人工智能和深度學習等技術的快速進步，設計過程將變得越來越自動化和智能，從而可以創建能夠將多種熱功能集成到同一設備中的非線性設計。

“這是對熱超材料與其他類型的超材料集成的補充，其中每種材料都實現了多功能性。”

人們認為，隨著超材料生產工業化的加速，熱超材料將很快用于電子、能源和醫療保健領域。

聲學超材料

聲學超材料使用聲子晶體來控制、縱和引導聲波（聲子）。聲學超材料具有各向異性質量和負密度，用于減振、成像、醫學超聲波、反聲納技術和無線電力傳輸。聲子還負責固體中的熱傳導，因此可以設計聲學超材料來控制電子系統中的熱傳遞。

圖3：柔性超材料的不同應用領域顯示了不同的應用途徑

有源聲學超材料提供了對聲波的一定程度的控制，超出了無源設備的能力，并且可以動態重新配置，并且可以補償波強度的任何損失。

有些應用超出了電子設計的范圍，但聲學超材料可以設計為捕獲或傳輸特定頻率的聲波。以這種方式使用超材料可以幫助為一系列技術（例如樂器和先進的醫學成像）設計更先進的聲學諧振器。聲學超材料還可以精確控制聲場的變形，并用于隱藏或隱藏物體免受聲波的影響。

電磁超材料

超材料可以在單個設備中控制電磁頻譜上的一系列電磁波，從而使超材料變得可編程。每個元原子都可以縱不同的電磁波來構建具有多種電磁功能的設備。每個超原子都可以控制一定的波長，并且可以通過先進的軟件控制功能。

開發中

正在開發可編程超材料，它可以自主適應其環境并與系統中的其他超材料進行通信，以構建可以提供傳感、成像或通信功能的先進設備。一些應用示例包括醫學成像和無線通信。

開發可編程超材料的方法有很多種，但一種常見的方法是構建模仿 FPGA 的系統?？删幊坛牧厦媾R的挑戰是創建一種具有刷新率的設備，該設備可以在高頻環境（例如太赫茲波）中實時改變超材料的特性。應用之間的刷新率各不相同，但通常在 KHz 到 MHz 范圍內。

靈活是未來嗎？

隨著靈活和更小的電子設備變得越來越普遍，超材料設計也必須彎曲、拉伸和滾動才能用于下一代設備。這是通過將超材料摻入柔性基材（例如低表面能聚合物）來實現的。

在超材料設計中引入靈活性也為制造用于遙感、成像和光學諧振器設備的透明超材料打開了大門。

華中科技大學智能制造裝備與技術國家重點實驗室副主任黃永安教授告訴《電子周刊》，“柔性超材料可用于增強現有的柔性電子產品，用于可穿戴電子、表皮電子、植入電子、軟機器人和飛機智能皮膚。用傳統策略改進柔性電子產品變得越來越具有挑戰性，但超材料正在開辟新天地。

黃永安還指出，根據體積較大的超材料的分類，可以制造多種類型的柔性超材料，包括“柔性機械超材料、柔性光學超材料和柔性聲學超材料，它們的用途可能跨越有趣的應用領域，如聲學超透鏡、隱形斗篷、電子皮膚和電子眼”。

開發柔性超材料有許多設計考慮因素，這些超材料圍繞啟發式設計（基于以前的經驗）和理性設計（基于目標屬性）展開。關于啟發式設計，黃永安說：“生物靈感已被證明是開發新型超材料的強大而有效的。理性設計圍繞拓撲優化展開，“拓撲優化優化在給定的設計空間內優化結構布局，它主要用于設計過程的概念層面。啟發式和理性設計方法與計算機輔助設計技術的混合方法有望成為一種有前途的方法。

柔性超材料的成熟不如塊狀超材料成熟。黃永安告訴《電子周刊》，“該領域許多已展示的功能和器件原型仍處于非常初步階段，大多僅限于實驗室研究，或者有時只是在理想假設下實現理論性能，而不考慮實際應用。許多可用的制造技術——3D 打印、激光切割、雙光子光刻——仍處于開發柔性超材料的早期階段，但結合自上而下和自下而上的技術可能會實現更小規模的超材料。

雖然該領域還相對較新，但黃永安總結道：“如果目前柔性超材料設計/器件集成研究的增長趨勢持續下去，我們相信該領域見證工業興趣近乎爆炸式增長并非不可想象。世界是彎曲的、動態的和多變的，但我們的工業文明是建立在扁平的技術基礎上的，但超材料開辟了一個全新的方向，可以隨意設計材料的能力。

事實檔案

* 超材料正在為從醫療到汽車和航空航天工業等一系列行業開發。

* 用途包括天線的生物傳感器、能量收集器、濾光片、智能電源管理設備、遠程監控設備、智能電源管理和屏蔽設備。

* 超材料和超表面相似，都包含超原子，但超表面是 2D 的，而超材料是 3D。

* 超材料可以編程;它們在單個設備中控制電磁頻譜上的一系列電磁波。