周济：超材料正在重构世界 | 2024科创大会

2024年12月12日，由南方周末主办的第四届科创大会于北京举办，探寻科创在不同行业、企业的发展脉络，为中国经济和社会发展提供动能。“科创大会”创立于2021年，隶属于南方周末年度盛典系列活动，每年发布年度科创力评价榜单与前瞻科创研究、汇集业内专家观点、揭示企业科创风向。

在大会现场，中国国际科技促进会副会长、中国工程院院士、清华大学材料学院教授周济以《超材料：重构世界，智启未来》为主题发表演讲。

以下为演讲实录，略有删节（本文标题、小标题为编者所加）。

▲周济（中国国际科技促进会副会长、中国工程院院士、清华大学材料学院教授）

新一轮科技革命和产业变革催生了许多深刻改变人类未来的新技术，如在信息科学和信息技术基础上产生了人工智能、在物质科学和材料技术领域产生了超材料。

超材料起源

20世纪中叶，美国著名科学家理查德·费曼曾说过这样一句话，“如果在某次大灾难中，所有的科学知识都将被毁灭，只有一句话能够传给下一代，那么怎样的说法能够以最少的词汇包含最多的信息呢？我相信那就是原子假说。”

原子假说并不是近现代科技发展中的一个重大突破，而是原始的、基本的对世界的判断，来源于古希腊哲学家德谟克利特，他认为世间万物任何一种物质的性质都来源于一个基本的单元“原子”。

18、19世纪科技革命产生了很多新的知识，英国科学家道尔顿重新定义了原子，即门捷列夫周期表中给出的180多个元素的基本单元。

但我们站在今天科学的角度看，其实原子既不是构成世界的基本单元，也不是决定物质性质的唯一单元。因为原子内部还有电子、原子核，原子核里有质子、中子，而决定物质性质的，除了原子，还可能是分子，也可能是化学键或者是晶粒、晶界等更大的结构，也可能是电子、电子的轨道自旋等更小的结构。从这个角度看，相当于道尔顿的原子，德谟克利特的原子是一种广义的原子。而物质的不同性质，可能决定于不同的“广义原子”。

这就带来一个问题，我们人类能否制造出一些人造的“广义原子”，再用这些“广义原子”重新构造一些物质？

答案是肯定的，重新构造的物质就是“超材料（Metamaterial）”。超材料指的是通过设计获得的、具有自然材料不具备的超常物理性能的人工材料，其材料性质主要来源于人工结构而非构成其结构的材料组分。

下面给大家举一个例子。

上世纪60年代，前苏联科学家韦塞拉格提出一个思想实验，当某种物质同时具有负的介电常数和负的磁导率的时候，会产生一系列奇异的性质，如负折射、逆行波、无像差成像、反常多普勒效应等新奇现象。但作为一个常识，物质的介电常数和磁导率都是正的。所以大家觉得这也就是一个科学幻想而已，并没有人关注。

直到20世纪90年代，英国科学家潘德瑞提出了一种产生负的介电常数和磁导率的可能性，就是通过电和磁的谐振单元在谐振频率附近的反常电磁响应来实现。如果将这样的谐振单元作为人工原子做成一个阵列，就有可能实现韦塞拉格提出的具有负折射率的材料。

到2000年，美国加州大学圣迭戈分校Smith课题组利用简单的实验进行了验证，演示出微波波段负折射行为。实验很简单，但结果令人震撼，证明我们完全可以通过人工结构单元，来实现自然界根本不存在、完全颠覆我们经验和常识的新材料。超材料由此诞生，2000年，就成为超材料的元年。

重构材料和应用

此后，基于类似的原理，科学家研制出了很多种电磁超材料和器件，如隐身斗篷、高分辨光学成像、超材料光计算机。

高分辨光学成像方面，超材料透镜可打破光学衍射极限，直接获得极其微观的结构，如癌细胞的形成、纳米尺度结构等，或用可见光制成的光刻机就可以刻出纳米级的一些半导体器件；超材料光计算机方面，用超材料可实现响应速度非常快、能耗特别低的计算。

此后超材料又从电磁波的调控延伸到声波的调控，发展了大量的声学超材料，在声纳、复杂的声学系统、声的信息器件、噪声消除等领域非常有用。既然“波”是可以的，那么“流”能不能控制？后来发现也是可以的，通过调控热流从而发展出大量热学的超材料，应用在辐射制冷、热管理、热能利用、设备保护等领域。

后来又发现，超材料的方法也延伸到了力学和机械学领域，产生了大量机械单元作为人工原子的各类力学超材料，如负泊松比拉胀材料、负刚度及可调刚度材料等等。超材料的应用也延伸到量子领域，在量子计算、量子通信以及暗物质的探测方面也有非常诱人的前景。

超材料既然能做各种各样的事，就有人提议用超材料建一座房子，这就是美国加州大学分校研究团队的项目，从外面的建筑材料到里面的采光、供热、通信、传感等等这些都是用超材料建设的超穹顶，并以此激发学生的创造力，一点点完善这个建筑。

目前，超材料应用到信息技术、能源技术、航空航天、生物医学、机械、建筑等领域。

超材料是一种解决问题的方法

超材料不仅代表了一大类特定的材料，更是一种解决问题的方式，即通过人造功能单元、构造超常的物理性质和功能，为很多领域提供了颠覆性技术，被评为“20世纪前10年的十大重大突破”以及“材料50年的十大重大突破”。

当下，超材料的广泛应用正在进入一个爆发期。我们正在做两件事：第一，解决信息技术面临的“摩尔定律失效”；第二，解决能源技术面临的“太阳能转换的效率问题”。

针对第一个问题，我们提出用超材料，不改变材料自身性质，仅改变超材料（人工原子）性质，就有可能实现一种低阈值的、高速的全光开关，即无非线性过程参与的超材料全光开关，以打破全光信息技术的瓶颈。

针对第二个问题，我们发展出了一种“人工分钟”，可直接把电磁波中所带电磁场、驱动电流实现直接光电转换，有望发展出光伏效应以外光电转换的新途径技术。

世界是物质的，有用的物质就是材料。人类通过对物质的建构，经过几十万年发展出材料技术；而在近百年来，我们解构了物质从而产生了材料科学；而今，超材料的出现使人类进入了重构物质的阶段。使得万物皆可设计，这将对人类未来产生深远的影响。