浙大科學(xué)家制造出可見(jiàn)光波段生物隱形器件，專家點(diǎn)評(píng)——
披上一件隱身斗篷，在人們的視野中瞬間遁形，這是人類長(zhǎng)期以來(lái)的夢(mèng)想之一。日前，一只貓和一條金魚(yú)比人類提前“享用”了一種隱身衣。10月24日，浙江大學(xué)國(guó)際電磁科學(xué)院陳紅勝教授課題組在《Nature Communications》上發(fā)表的一篇論文報(bào)道了該課題組的最新進(jìn)展，他們與新加坡南洋理工大學(xué)張柏樂(lè)教授等研究團(tuán)隊(duì)合作，使用玻璃制造出了可見(jiàn)光波段的生物隱形器件。
讓光線轉(zhuǎn)彎
要研究“隱形”，就要先明白物體為什么會(huì)“顯形”：當(dāng)電磁波照射到物體上時(shí)，會(huì)在物體上發(fā)生散射。散射的電磁波被人眼等“感應(yīng)器”接收，就能識(shí)別那里存在物體。“目前應(yīng)用的隱身技術(shù)，大部分是通過(guò)吸收電磁波，讓反射回去的電磁波達(dá)到最小，但這種技術(shù)并不是人們通常所理解的隱身。”陳紅勝說(shuō)。
2006年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院Pendry等在Science上發(fā)表文章，提出了利用坐標(biāo)變換的方法設(shè)計(jì)隱身衣，既不反射也不吸收電磁波，使電磁波能夠繞過(guò)被隱身的區(qū)域，按照原來(lái)的方向傳播，從而可以使物體完全隱形。這是隱身衣設(shè)計(jì)的“殿堂級(jí)”理論，奠定了隱身衣研究的理論體系。它的核心思想是，通過(guò)材料表面折射率的改造，讓光線“轉(zhuǎn)彎”繞過(guò)物體按原方向傳播，就能將物體隱藏。此后，隱身衣的研究得到飛速發(fā)展，近年來(lái)成為電磁學(xué)、物理學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)及交叉學(xué)科非常前沿和熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。
“就像小溪里的流水，經(jīng)過(guò)一塊石頭時(shí)，溪流會(huì)繞過(guò)石頭后再合攏了繼續(xù)向前，就像沒(méi)有遇到過(guò)石頭一樣。進(jìn)入隱身衣的光線要繞過(guò)物體，所以走過(guò)的路徑長(zhǎng)；沒(méi)有進(jìn)入隱身衣的光線是一條直線，走過(guò)的路徑短。完美的隱身衣要求所有的光線保持相同相位，因此進(jìn)入隱身衣的光線必須跑得比外部光線快，這就要求隱身衣的材料對(duì)不同光線具有不同的折射率。”陳紅勝說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)Pendry“完美隱身”的理想，要非常精密的納米加工技術(shù)，目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，我們必須進(jìn)一步對(duì)理論進(jìn)行簡(jiǎn)化，才有可能在不同的電磁波頻段里研發(fā)出可以實(shí)用的“隱身衣”。
聚焦可見(jiàn)光波段
陳紅勝課題組近兩年的研究，聚焦如何在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)物體隱形，也就是說(shuō)，怎樣讓物體在人的肉眼前遁形。他們提出了一種可見(jiàn)光波段多邊形隱身衣的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)均勻線性變換的方法，設(shè)計(jì)并簡(jiǎn)化了隱身衣的各個(gè)部分的參數(shù)，對(duì)于隱身衣從理論走向?qū)嵱闷鸬搅舜龠M(jìn)作用。
“人眼對(duì)光線的相位和略微延時(shí)并不敏感，”陳紅勝說(shuō)，結(jié)合這一特性，他們對(duì)Pendry提出的理論體系進(jìn)行進(jìn)一步簡(jiǎn)化，剔除理論中“光線保持相同相位”的條件，這樣，“隱身器件能夠使用更加易得的材料，也不需納米級(jí)工藝雕琢，降低了隱身衣的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)難度。”
2012年，陳紅勝課題組用一種自然界存在的雙折射晶體研發(fā)了一套柱形隱身器件，實(shí)現(xiàn)讓一根筷子粗細(xì)的物體隱形。“但是這種材料的尺度很小，且只能對(duì)某個(gè)極化的光才可以隱形，又無(wú)法大規(guī)模制備，我們需要進(jìn)一步研究適用于大尺度器件的材料和方法。”課題組成員、博士生鄭斌說(shuō)。
2013年，通過(guò)進(jìn)一步的理論分析，課題組對(duì)隱身器件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并選用在工業(yè)上可以大規(guī)模制備的一種玻璃作為隱身衣的材料，將隱身衣的“尺寸”擴(kuò)增到直徑分米量級(jí)以上，并且可以在任意極化的自然光下隱身。實(shí)驗(yàn)顯示，一只蹲在六邊形隱身裝置的小貓，在特定的某個(gè)角度，光線可以直接繞過(guò)小貓，并回到原來(lái)的路徑出射。為了探究隱身衣對(duì)不同生命環(huán)境的適應(yīng)性，課題組還研發(fā)了一組適用于水中隱形的裝置：金魚(yú)游進(jìn)這件“隱身衣”，身后的物體仍然一覽無(wú)余。“這意味著隱身器件不僅能夠隱藏像貓、魚(yú)這樣大的物體，生物還能和隱身器件一起活動(dòng)，隱身效果并不會(huì)因此受到影響。”陳紅勝說(shuō)。