当前，美国波音公司、日本丰田公司、韩国LG电子公司、美国雷神导弹公司等世界级跨国公司正着力推动超材料技术的产业化进程，积极抢占超材料市场份额。在抢占市场份额的道路上，超材料的制造工艺起着举足轻重的作用，以美国为首的多个国家都对超材料的制造工艺进行了深入研究，并取得了突破性进展。

超材料是由周期性或非周期性人造微结构排列而成的人工复合材料，核心思想是通过复杂的人造微结构设计与加工，实现人造“原子”对电磁场或者声纳的响应，核心理论之一即为描述电磁波传播轨迹与超材料特性的变换光学。超材料技术属于前沿性交叉科技，所涉及的技术领域包括电磁、微波、太赫兹、光子、先进的工程设计体系、通信、半导体等。2010年，超材料被《科学》杂志评选为过去10年中人类最重大的十大科技突破之一，引起广泛关注。隐身衣、智能汽车、无声潜艇，这些科学幻想随着超材料的发展终将成为现实。

一、激光直写技术

铝纳米晶格架构（A）微结构CAD模型，蓝色区域代表单个晶胞（B）微结构剖面

加州理工学院科研团队使用一种叫做双光子光刻的激光直写技术制造出了能复原的弹性陶瓷。该技术制造出的中空管网状的氧化铝结构厚度为5纳米到60纳米，管直径在450纳米到1380纳米内，而且，整个网络比一张纸还薄。研究人员称，当陶瓷管壁小至10纳米时，能够达到85%的弹性变形。参与研究的卢卡斯·梅扎表示，这种陶瓷能在“普通物质无能为力的地方大显身手”，例如，航天飞机或者喷气式发动机需要使用陶瓷防护瓦而非金属罩来隔热的设备。

德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的科学家利用spinoff Nanoscribe直接激光写入法制造出了触觉隐形斗篷，其制造精度仅超过设计样本长度几毫米。该触觉隐形斗篷由聚合物制成的超材料制作。这种超材料是按次微米精度构造的晶体结构。它由针尖相接触的针状锥组成。接触点的大小需精确计算，以满足所需的机械性能。通过这种方式，构造出的结构通过手指或测量仪器无法感受到。

二、电子/离子束刻蚀

2012年8月，美国哈佛大学的Federico Capasso及其同事设计使用光刻技术电子束从一个60纳米厚的硅片上蚀刻出一种平的超材料镜头，该镜头使用金的超材料二维阵列。在制造过程中，通过选定超材料阵列特殊的形状和间隔，物理学家能使选定波长的光精确地到达一个焦点。该超材料镜头可用于智能手机内置相机中。当然，这种平面镜头仍然会受到光衍射的限制。不过超材料提供了一种制造“超级透镜”的方式，或能超越这些限制。

三、3D打印：微立体光刻投影

美国研究团队设计的一个基本单元结构，称为八位组桁架单元，用聚合材料通过3D微立体光刻投影技术打印出来

超级材料晶格全阵列的形象化演示图

3D打印技术不仅仅可以制造产品，也可以开发自然界中不存在的新材料。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)和麻省理工学院的研究人员使用3D打印技术开发出一类新的材料：超轻、高硬、高强超材料。研究团队以纳米微格为基础，使用3D喷射微立体光刻投影技术制造出超材料结构单元。制造过程可以使用不同的材料，包括聚合物、金属和陶瓷等。 这种超材料具有与气凝胶相同的重量和密度，但刚度是其10000倍。面向不同的应用，该超材料具有不同的机械性能和热性能，如强度、密度、热膨胀。未来，具有这些特性的材料可能会被用于开发飞机、汽车和航天器的零部件。

除上述三种技术外，超材料还可以使用纳米压液、电路板印刷、自组装法等技术制造。

超材料平板卫星天线

中国在超材料的制造方面处于世界前列，国内一些高校和企业已经取得了实质性的技术成果。

中南大学教授黄小忠的团队利用3D打印机，通过对材料进行编码，获得了一块边长18厘米、包括10万个物理单元的具有隐身性能的超材料，有望实现我国未来太空隐形飞行器的零部件快速打印和更换。

深圳光启已经实现超材料的规模化生产，2013年建立了全球首条超材料微结构精试线，设备定制化程度高达70%。光启的主要产品包括超材料平板卫星天线、临近空间飞行器、智能光子系统等，覆盖国防、通信、民用等领域。其中，卫星天线年生产能力可达百万面，为中国的超材料产业化进程奠定了坚实的基础。

相信随着制造工艺的进一步发展，超材料的制造成本将会随之降低，未来超材料的应用将更加广泛，或将引发新的产业革命。

（作者：严立）

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