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超材料（metamaterial）及其发展现状
发布时间：2022-01-11 来源：网络搜集 阅读次数：4770 分享到：
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超材料（metamaterial）指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。“超材料”（Metamaterial）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。
一般网络及文献中，超材料(Metamaterials)是指由人工结构功能单元按照特定的空间排布构成的、具有超常宏观物理特性的人工复合材料或复合结构。超材料是先进功能材料的创新研究范式，将传统均质材料的半经验式研究手段发展为精确可设计的材料研究范式。超材料不仅是一种材料新形态，更是一种材料设计新理念，即：类比自然材料电磁、力、热、声等响应的微观机制和自然材料基本构成粒子的空间点阵排布方式，构造与自然材料原子、分子等类比的人工微结构单元，通过结构单元的周期性、准周期性或特殊点阵排布构造人工复合材料，实现自然材料无法实现或很难实现的特殊物理特性。由于超常的电磁、声、热、力等功能，超材料在隐身伪装、电子对抗、导航通讯、预警制导、成像识别等领域具有巨大的应用潜力。
超材料概念来源于1968年前苏联理论物理学家菲斯拉格观察到的介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学特性与常规材料不同的现象和理论预测。1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现，介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质，与常规材料不同，从而在理论上预测了上述“反常”现象。超材料的概念便源于此。
“超材料”具有天然材料所不具备的特殊性质，这些性质来自人工的特殊结构。超材料由亚波长人工结构单元作为基本单元构成，单元间隔为微米量级，将人工原子和人工分子单元通过不同的结合和排列，可设计制造出各种物理特性的超材料。超材料的特征可归纳为以下三个方面。一是超材料是人工合成材料；二是超材料具有自然界材料所不具备的超常物理性质，三是超材料的性质不是由其基本构成材料决定，而是取决于人工结构，可人为设计、任意控制。
目前，超材料的一般定义为具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，是将人造单元结构以特定方式排列形成的具有特殊电磁特征的人造结构材料。典型的超材料包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。
Metamaterial，其中拉丁语词根“meta-”表示“超出、另类”等含义，因此一般文献中给出超材料的定义是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。”但实际上，到目前超材料还没有统一定义。那超材料到底是什么？我们从其特征就能做出判断：
具有新奇人工结构的复合材料；具有常规（或传统）材料不具备的超常物理性质；超常物理性质主要由新奇的人工结构决定；新奇的人工结构包括单元结构（人工原子和人工分子）和单元结构集合而成的复合结构两个层次。
隐身衣是近年来出镜率最高的超材料应用，电磁超材料是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向，典型的超材料还包括左手材料、光子晶体和非正定介质等，听起来都非常“科幻”。
由于20世纪60年代没有实验验证，加之时值功能材料处于发展初期，立足于原子、分子层次结构设计与调控的传统材料设计思想，在新型功能材料研发中仍有强大的生命力，因此，人们对菲斯拉格的发现未予以高度重视。
随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。菲斯拉格的发现重新回到人们视线。
超材料是材料设计思想上的重大创新，对新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微细加工技术等领域可能产生的深远影响，发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视，制定了相关计划，投入了大量人力和物力。
超材料的研究现状
超材料技术的研发引起了发达国家政府、学术界、产业界的高度重视。美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，2010年《科学》杂志将超材料列入本世纪前十年10项重要科学进展之一。美国国防部专门启动了超材料研究计划；英特尔、AMD和IBM等6家公司成立了联合基金；欧盟和日本也制定研究计划投资研究。
从负折射率到电磁黑洞
2001年，美国加州大学圣迭戈分校的史密斯教授等人在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品，并实验证明了负折射现象与负折射率。翌年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现超材料的新方法。
2002年底，麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，并称之为“导向介质”，他预言了这种人工材料在高指向性的天线、聚焦微波波束、“完美透镜”、电磁波隐身等方面的应用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大学的科研小组设计、制造了著名的“隐身大衣”，并成功地进行了实验证明。2009年又出现了宽频带的隐身衣。2010年科学家发现了电磁黑洞。
光子晶体、左手材料、隐身衣等超材料研究成果被美国《科学》杂志先后于2000年、2003年、2006年选为年度10项重大进展之一。《MaterialsToday》杂志在2008年将超材料评为材料科学50年中的10项重要突破之一。2010年，《科学》杂志又将超材料列入本世纪前十年的10项重要科学进展之一。
目前，美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划，美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域最顶尖的科学家聚焦这一领域的研究，并给予高额的经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划，支持了至少有两个关于超材料技术的研究项目，每个项目约为30亿日元。
超表面
随着超材料发展，科学家大约在2011年左右开始进一步研究超表面。超表面是一种极薄的超材料，由不同几何形貌的纳米金属结构分布所构成，运用纳米科技精准的控制光，可以让透镜变成非常小的平面。再说得更简单一点，超材料跟超表面都是基于纳米科技而生，如果超材料是一块铁砖，那超表面就是一片铁皮。
哈佛大学教授FedericoCapasso团队2016年在《科学》上发表了超透镜（Metalens）相关技术的研究，他们以二氧化钛纳米纤维（titaniumdioxidenanofins）为材料开发的超透镜，厚度只有600纳米，是一般玻璃镜头的十万分之一。这让外界了解到，以超材料制成的透镜将具有极大的商业潜力。
该技术被《科学》杂志在2016年公布的十大重大科技突破。
尽管学术界及产业界都对超透镜寄予厚望，期待取代传统光学设备的那一天尽快到来。不过，在实际应用层面仍面临了几个问题，第一个挑战就是如何在宽频带内消除色差，因为有色差就会影响成像品质。
透镜是光学仪器的关键零件，从眼镜、相机、显微镜到望远镜等都使用了许多透镜。传统透镜是以玻璃或其他透明材料制成，具有弯曲的表面以及固定的焦距，比如凸透镜会聚光，并将物体放大；凹透镜使光发散，并产生缩小的影像。生活中常使用的相机是由许多透镜组合而成，才能解决色散或像差的问题，有好的成像品质，所以相机镜头的体积都偏大，单反镜头又比手机镜头更大。
但与传统透镜相比，超透镜最大的优点就是体积非常微型化，小到人的肉眼都难看见，而且超透镜所能实现的功能远超传统透镜。一般来讲，只需要一片超透镜就可以取代相机中的透镜组，若是想要打造可辨识焦距的镜头，搭配两三片超透镜使用也能达成。
因为超透镜的厚度是在纳米级，尽管用了许多片，但对使用者来说，可能都不会感觉到它的存在。所以拿超透镜来做各式应用，例如手机、相机的镜头或是马路上或公司里的监视器镜头都会变得很小，甚至是薄如一张纸，一旦镜头小了，这些产品的总体积自然可以变得轻量化。
目前的VR头显往往遭人诟病过重，使用体验有待改进，因此Google就对超透镜相当感兴趣。此外，得益于关键元件的缩小，设计人员未来在设计产品时也能开发出更多有创意、新颖的造型。
另外，超透镜除了可见光之外，还适用于传统透镜无法使用的光谱下，例如红外光、紫外光等。在战争电影中，我们可能都看过一个画面，当军人进入黑暗的山区或民宅里，会戴上一个特殊的夜视仪，多是使用红外线把目标转化成为可见光，人眼才看得到。而超透镜可以在红外光下使用，因此军事应用也是日后超透镜可以发展的一个领域。
过去，超透镜的应用未能普及的主要原因就是色散。不过，台湾的“中央研究院”（简称“中研院”）、台湾大学以及大陆的南京大学三方携手，开发出的“集成共振单元”进一步解决了超透镜的色散问题。
借助这项技术，不论是相机、智能手机上的镜头都可以大幅缩小，更可能让如索尼、佳能的传统镜头厂商业绩大幅流失。
台湾上市公司大立光是苹果最重要的镜头模组供应商，正当苹果供应链为量产iPhone8忙得不可开交的时候，大立光CTO黄有执却忙里偷闲，领着一位研发主管进入“中研”院探刺军情。
“大立光来谈有没有合作机会，他们很关心可不可能量产、成本价格多少。三星、Google、微软同样非常关注，看看是不是可以用在手机、VR头显、HoloLens上。”中研院应用科学中心主任蔡定平在接受采访时透露。
为什么这项技术能让大立光如此紧张？甚至吸引全球科技巨头们的目光？这要先从一篇在8月初发表于《自然通讯》（NatureCommunications）的论文谈起。蔡定平与台湾大学电机系管杰雄教授、南京大学介电体超晶格实验室专职研究人员王漱明合作，利用自创的“集成共振单元”研发出宽频、且能消除色差的超透镜（AchromaticMetalens），并在美国和台湾取得专利。
众所周知，透镜是光学应用的基础，在日常生活中被广泛应用，包括相机、眼镜、显微镜等。而传统透镜对不同波长的光有不同的折射率，所以无法把各种色光聚焦在同一点上，于是就产生了“色差”，会模糊成像效果。
为了解决受限于自然界中光学材料的折射率问题，可以把透镜做成曲面等方式来控制光。最普通的方式是把两种不同折射率的透镜组合在一起，一片的色差由另一片来抵消，也就是“消色差”。但要达到理想效果，往往需要将二至四个透镜进行叠加。当然，相机业者也会使用色彩校正软件作为辅助，不过，光学装置的体积普遍都相当大，比如单眼相机或是专业摄影用到的“大炮”镜头等。
不同于传统透镜，超表面具有在亚波长（Subwavelength）维度下调控电磁波的特性。例如振幅、相位与偏振性。所以对于发展光电元件微型化有极大的帮助。少了层层叠叠的透镜，未来手机、相机就能大幅“瘦身”。
此外，还有一项很大的优势，就是成像的效果比传统透镜更好、更清晰。已有学者成功利用超表面展示平面超透镜（FlatMetalens），并引起了来自全球的科技巨头们的极大关注。
其中最积极的莫过于Google。据了解，Google早在2012年就与哈佛大学团队探讨利用超表面来取代手机中光学控制元件的可能性。另外，Google旗下最神秘的实验室GoogleX内部的GoogleGlass小组，也曾于2014年找上哈佛大学教授FedericoCapasso的研究团队，希望以先进的超材料技术来开发具有更高效率、更易于大量生产、体积更小的产品。
台湾“中研院”应用科学中心主任蔡定平指出，先前对于连续波段消色差最好的研究成果仅有140纳米（近红外波段，相较于中心波长约9.2%频宽）以及60纳米（可见光波段，相较于中心波长约11%频宽）。
由蔡定平领导的团队自创“集成共振单位”，就是要解决上述问题。身为核心开发人员的王漱明解释，整个开发流程可以分为四个阶段：第一是设计超表面的共振单元，以及想要实现消色差效果，就需要将这些单元进行特殊排布，通过电脑精算设计出超表面结构；第二是样品的加工制成；第三阶段以实验测试样品的效果；最后才是进行结果分析。
最终，他们成功制作出宽频且消色差的超透镜（AchromaticMetalens）。这种超透镜的消色差在近红外波段达到了480nm的频宽，相较于中心波长约33.3%频宽，是目前为止最广的工作频宽。这项研发成果大幅解决了色差的问题，因此成了近期国际上纳米光学领域最重要的成果之一，让超透镜距离商业化往前迈进了一大步。
有意思的是，来自两岸的研发团队合作开发出的集成共振单位，其灵感来源也让人出乎意料。
台湾“中研院”应用科学中心主任蔡定平表示：西医的概念是头痛医头、脚痛医脚。不论张三李四来看病，症状相同吃得都是一样的药丸。但中医则不同，望闻问切，人尽不同。虽然医生开出的药方是类似的草药，但病人服用的剂量、帖数却因人而异、甚至还因时而异。这样的哲学给了我们一个启示，研发超透镜时一定要用多元的方法。
他进一步解释，人的眼睛可以看到很多光，不同的光有不同波长，看不清楚就会模糊掉。过去的研究在设计透镜时，每一个基本结构单元都很简单，都只适用于固定波长。
但研究人员想的是，必须让所有波长都精准聚焦在同一个点上，成像才会清晰。所以他们考虑的参数要复杂许多倍，但又不能一次放入过多的参数，必须经过精密控制及计算，让参数彼此又可以起作用。A+B之后，可以变成ABCDE，这就是集成共振单位的原理。若用电子显微镜来看他们开发的透镜，可以发现在边缘、中心摆放的元件数量不同，方向及大小也有差异。
“平面超透镜要做的是超越现有透镜。”首先，是透镜体积的超微缩化，一般手机镜头透镜直径大约是0.8厘米，而他们开发的超透镜以电子显微镜来看，透镜直径只有250微米，而且厚度在100纳米以内。未来在手机镜头、一般监视器镜头、行车记录器、穿戴装置上。不难想像，只要一片微小的超透镜就可满足所有需求。
另外，新技术、新材料往往会因为成本过高而无法快速商业化，可是这点在超透镜上似乎不成立！因为宽频且消色差的超透镜采用标准的半导体元件制程。
而且制造材料也跟集成电路芯片密切相关，现有的半导体制备工艺就足够应对。这代表着超透镜未来完全可以实现大规模量产，而且不像传统透镜，需要精细打磨、抛光，因此价格会比目前的镜头更便宜。
蔡定平说，有学者评估超透镜大量生产后的价格大概只有传统镜头的1/4，虽然这还是跟产量有关系，“但一般镜头光是材料成本就高于超透镜。而且画质更清楚，体积更小、可应用的范围也更广。”目前镜头只能看到可见光，但其他波段如红外线、紫外线就看不到，故平面超透镜能全面超越现有透镜的功能，这也就是为什么传统镜头公司会感到如坐针毡的原因。
对于超透镜何时可以被量产？蔡定平坦言，超表面是相当前沿的领域，要商业化取决于掌握多少技术。以他们实验室团队的技术积累，如果要将超透镜量产，大概三个月就可以实现。
但是，科研机构并非以盈利为最终目的，这就看有没有厂商有意愿进行授权合作。目前超透镜已经做到人眼可见光范围全部适用。包括手机镜头、行车记录器、各种感应器，未来的AR、VR装置、夜视镜、红外成像等各式各样的光学器材都是可应用的领域。
2017年3月10日技术评论网站报道，美国杜克大学搭建了基于动态超表面孔径的合成孔径雷达，并进行了2D和3D成像测试。该系统灵活、高效、价格便宜，生成的图像质量不低于传统合成孔径雷达。
杜克大学动态超表面孔径合成孔径雷达天线由互补、谐振的超材料单元组合的微带线构成，每一超材料单元包含两个偶极子，与外部控制电路相连，超材料单元的谐振可通过偏置电压进行衰减控制。动态超表面孔径的每一谐振电路发射并接收某一特定的频率，工作频率也可通过调谐电路的电子特性进行更改，类似于无线电调谐器。孔径产生的总辐射方向图是每一单个辐射器的辐射方向图的叠加。通过给控制电路施加不同的电压，可接通部分辐射单元，形成不同指向、不同形状的方向图，并可为每一波束选择特定的工作频率。动态超表面提供的灵活性能够给合成孔径雷达带来多种能力，可形成窄波束增强信号强度，在方向图上形成零点回避干扰，也可使用宽波束观察大范围区域，甚至可以同时形成多个波束探测多个位置。由于动态超表面可以大批量低成本印制，将会显著降低雷达的成本。
折射率为负的“超材料”
2001年，美国加州大学在实验室制造出世界上第一个负折射率超材料样本，并实验证明了负折射现象与负折射率。2002年，麻省理工学院从理论上证明了“左手材料”存在的合理性，预言了这种人工材料在高指向天线、微波波束聚焦、电磁波隐身等方面的应用前景；2006杜克大学制造了能在光波下隐形的“隐身外衣”；2009年出现了宽频段的隐身衣；2010年发现电磁黑洞。
隐形外衣
德国科学家使用“径直激光平版刻录”技术制成红外隐身材料片，荷兰制造出力学可编程智能橡胶，可以像海绵一样变硬或者变软，甚至在挤压下在软硬状态间快速转变。我国在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料以及声波负折射等基础研究方面，取得了多项原创性成果。
超材料的应用
目前左手材料、光子晶体和缺陷地结构等超材料已取得重要进展。左手材料可用于制造高指向性天线、反向波天线，用于聚焦微波波束，实现“完美透镜”，或用于电磁波隐身及制造各种新型微波器件。左手材料用于微带天线，可有效抑制天线边沿辐射，减少天线阵元间的干扰，抑制谐波的产生，突破传统微带天线半波长电尺寸的束缚，使小型化设计成为可能；左手材料用于天线罩，负折射率特性将使穿过其中的电磁波只能在垂直方向附近的小角度内传播，其他方向的传播将受到限制，有利于天线辐射波束的汇聚，减小天线的波瓣宽度，提高天线的方向性；左手材料还可用于移相器和滤波器的设计。光子晶体器件可人为控制光子的流动，可制造光子晶体光纤、光子晶体微带天线、光子晶体滤波器等，具有低损耗、大带宽、高增益等性能。缺陷地传输线在底层金属接地面上刻蚀一定图形，通过扰乱屏蔽电流的分布来影响表层微带线传输特性，具有高阻抗、慢波特性，能够提高天线的辐射效率和极化隔离度，降低相邻天线单元之间的耦合，实现移相器的小型化。
超常的物理特性使得超材料的应用前景十分广泛，应用范围覆盖工业、军事、生活等各个方面。特别是电磁超材料，可以用于隐身衣、电磁黑洞、慢波结构等元器件的制作，用于超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通信天线、无人机雷达、声学隐身，对未来的通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。
在雷达领域，通过将金属微结构印制在柔性基底上制备超材料薄膜，利用超材料的频率选择和负折射率特性，可以制造隐身涂层，实现射频隐身，提高雷达战场生存能力。同时，通过对线路施加不同电压可以主动控制波束，达到移相器的作用，可以根据不同环境对波束进行不同调制，提高探测距离、分辨能力，并规避周围信号干扰，提高雷达作战效能。另外，超材料还将给予雷达共形能力，实现智能蒙皮，在发挥雷达功能的前提下不改变现有装备外形特征，不影响现有装备动力学性能。
超材料在国防中的应用
当前广泛使用的各类常规材料都是建立在天然材料所具有性质的改进和提高上的，随着材料设计和制造水平的不断提高，对天然材料的各种性质和功能的进一步发掘利用的空间已逐渐缩小，并最终趋于极限。超材料的提出将会给新材料的设计与开发带来新的机会，给雷达、通信、电子战、隐身武器等的功能性能带来新的变革。
重大创新将产生重大效益
近10年来，超材料研究之所以能引起全世界的高度关注，源自于超材料所体现的材料设计思想的重大创新，以及这一创新将产生的重大效益。
首先，通过材料结构的创新设计，实现全新的物理现象，产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料，促进甚至引领新兴产业发展；然后利用超材料设计思想，提升传统材料性能，突破稀缺资源瓶颈，实现传统材料产业的技术升级和结构调整。
电磁超材料实现，使我们继利用半导体自由调控电子传输之后，首次具备了自由调控电磁波的能力。这对未来的新一代通信、光电子/微电子、先进制造产业以及隐身、探测、核磁、强磁场、太阳能及微波能利用等技术将产生深远的影响。
隐身衣是一种以开口谐振环为单元结构、非均匀方式排列成圆环结构的超材料，其应用大家不言自明。
“电磁黑洞”是一种能够全向捕捉电磁波的电磁超材料，能引导电磁波在壳层内螺旋式地行进，直至被有耗内核完全吸收，使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现，不仅将为太阳能利用技术增加新的途径，产生全新的光热太阳能电池，还能应用于红外热成像技术，大幅度提高红外信号探测能力，因而在飞机、导弹、舰船、卫星等方面获得广泛的应用。
慢波结构是一种能使电磁波减速甚至停止的电磁超材料，不仅可应用于太阳能发电、高分辨红外热成像技术，还可应用于光缓存和深亚波长光波导，极大增强非线性效应，促进光电技术的发展。
超材料透镜是一种可实现高定向性辐射的电磁超材料，可用于制造先进的透镜天线、新型龙伯透镜、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等。
此外，如将超材料设计思想应用于常规材料，可在显著提高材料综合性能的同时，大幅度减少稀缺元素用量，为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如，常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合，可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下，使磁性材料的磁能级成倍提高，而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。
我国超材料技术发展现状
我国政府对超材料技术予以了高度关注，分别在863计划、973计划、国家自然科学基金等科技计划中予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料，以及声波负折射等基础研究方面，已取得原创性成果。
超材料研究在国内非常活跃，呈现出百花齐放的局面，所涵盖领域包括电磁超材料、红外/THz超材料、光学超材料、声学超材料、力学超材料、光学超材料、热学超材料等领域。
浙江大学在光波和超低频超材料领域取得了一系列有影响的成果，发展出了基于慢波来设计超薄、宽吸收角度的完美吸波材料，提出了超材料在成像、隐身、磁共振成像和静磁场增强方面的应用。
东南大学研究了均匀和非均匀超材料对电磁波的调控作用，提出了电磁黑洞和新型超材料隐身器件，发展出了雷达幻觉器件、远场超分辨率成像透镜、新型天线罩、极化转换器等新型超材料器件。
清华大学研究介质基和本征型超材料，提出了通过超材料与自然材料融合构造新型功能材料思想，发展出了基于铁磁共振、极性晶格共振、稀土离子电磁偶极跃迁以及Mie谐振的超常电磁介质超材料。
深圳光启研究院则在国际上率先推进了超材料产业化，研发出超材料平板式卫星天线，在22个省市进行了测试，并在北京、天津等地得到了实际应用。
超材料的未来发展方向
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。笔者认为，超材料的研发要注重以下一些方向：
①对超材料的工作频段和方向控制的研究。从工作频段来说，超材料的频段还只能达到红外层次，同时大多数负折射率材料仅能在某些角度上实现负折射现象。对于实现更好隐身功能需要来说，其工作波段最少应覆盖整个可见光波段，同时也需要实现具有各向同性的特性，即从更宽的光波波段和不同方向上实现对光的控制。这将是未来超材料发展的重要课题。
②超材料的产业化发展。超材料技术目前还处于实验室到产品中试阶段，如果要进行更大规模的产业化，还需要研究大规模制造大体积超材料的方法。目前实验室仅掌握在平面上的超材料的制造工艺，具有三维空间的立体超材料还未实现。同时表面工艺也仅仅局限在很小的面积上，这距大规模地使用还有很长的距离。如何实现大规模地制造超材料是实现超材料广泛使用的重要前提。
③新型超材料及其功能的设计、性能优化及相关模拟仿真方法。
④不同超材料之间相互作用的研究。这一方向的研究主要包括对超材料进场波与超材料自由空间电磁波的耦合研究，以及对超材料内部的传播性质的研究。而对其规律性的研究又不断提出新的理论、技术、方法的需求，从而推动与此相关的新理论概念、分析方法和实验测量技术的发展。
“超材料超透镜”有望检测早期癌细胞
超材料光学特性的研究者、纽约州立大学布法罗分校（UniversityofBuffalo）的NataliaLitchinitser教授近日在她的论文中介绍了由她的团队设计的一款可进行单个分子成像和癌细胞检测的透镜――超材料超透镜。这种由微小的黄金薄片和透明聚合体超材料制成的透镜能在可见光下工作，并解决传统光学透镜的折射问题。
受量子力学的测不准原理的制约，光学设备存在衍射极限，为半波长量级，衍射会导致“消逝波”，即光波逐渐消散在传统透镜中。为了能看到更精细的尺度，需要突破衍射极限。提高成像分辨率是近场光学的一个热门领域，达到这些超高分辨率需配合昂贵的高精度仪器设备，而利用超材料来实现超高分辨率无疑是一种低成本的办法。
这种微结构的尺度小于它作用的波长，因此得以对波施加影响，实现让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的梦想，这是传统材料无法实现的。超材料超透镜能将渐散的光波转化成能被标准设备收集传播的光线，继而突破散射的限制。
传统透镜由银和隔绝材料按照环形间隔排列制成。Litchinitser教授带领他的团队摒弃传统方法，将黄金和聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）超材料按照放射型排列制成了一种新型的超透镜。在《自然通讯》杂志（《Nature》子刊，SCI一区，影响因子高达10.742）的一篇论文中，Litchinitser教授的团队阐述了使用光刻和电镀来制作这种超透镜的方法，并提供了光学试验的波导。实验显示，在可见光下，光学内视镜仅能成像1万纳米左右的物体，而使用超透镜后，分辨率可提高至250纳米或更好。
“医疗技术的发展急需我们提高观测微小物体的能力，而超材料超透镜的研发或许会帮助我们跨出一大步”，Litchinitser教授举例道，“超材料超透镜能用于观察卵巢或腺体肿瘤活体切片组织中的单个癌细胞，而现有医疗条件下这两种癌细胞还难以在早期被检测。”
对于超材料在生物医疗领域的应用，国内研究者和研究机构也已在展开探索，如2011年，深圳光启高等理工研究院揭牌成立了“超材料技术生物医疗应用工程实验室”。
随着超材料领域研究和应用的深化，超材料能否引领生物医疗领域的颠覆性变革，让我们拭目以待。
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