光学隐形斗篷：幻想还是真实？
发布时间：2012-12-4 13:47
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在风靡全球的畅销小说《哈利•波特》中，主人公哈利•波特每次遇到紧急情况，都会披上一件“隐形斗篷”，瞬间遁形，羡煞无数读者和观众，他们还将这件隐形斗篷选为“最想要拥有”的魔法宝物。最近，美国杜克大学的研究小组揭开了一款现实版隐形斗篷的神秘面纱，他们利用新款隐形斗篷实现了物体的完美遁形――实验中，他们成功让一个几厘米的圆柱体在微波环境下实现隐形。这个发现也许会让隐形斗篷这种原本仅存在于科幻小说和电影中的神奇魔法，出现在真实世界中。 扭曲光线实现视觉隐形 隐形斗篷利用的是光学折射原理――人类之所以能看到形形色色的物体，是因为光线投射在这些物体上，再反射映入眼睛。而隐形斗篷的材质能扰乱光线和物体之间的折射，从而达到物体隐形的效果。 早在2008年，美国加州大学伯克利分校材料科学部首席研究员和纳米科学工程研究中心主任张翔就带领他的研究团队，利用硅纳米原料制造出了一种隐形斗篷。在这种隐形斗篷的覆盖下，普通的光学检测无法发现放在斗篷下的物品。 张翔的团队发现，复合材料具备隐身功能的重点在于其特殊的结构――他们用银、镁这些常见金属的氟化物构成网状材料，再将多孔氧化铝生成的纳米银线穿插在其中，这样形成的复合材料会改变光线的方向。这也是天然物质不可能具备的特性。 尽管美军也研制了隐形战机，但它表面的复合金属只能在无线电波中隐形，并非在视觉上看不见，而张翔的研究团队研制隐身斗篷所采用的绝缘材料则是透明的，这就有可能在视觉上隐形。 2010年，英国和德国研究人员创造出了第一片极其微小的隐形斗篷。这个斗篷可弯曲光波，让物体从各种角度看起来都彷佛消失不见。研究人员乐观估计，较大尺寸的哈利•波特隐形斗篷，可能10年内就能成真，这使得拥有一袭哈利•波特式隐形斗篷的梦想不再遥不可及。 英、德两国的研究人员用结构如同木材堆的光子晶体制造出一种可弯曲光波的新材料。这种材料覆盖在黄金表面的微小凸起上时，可制造让凸起消失的视觉假象。不过这片隐形斗篷很小，仅长约0.000102厘米，宽约0.000127厘米。 “这就像把一小块物品藏在毯子下，只不过这个毯子也消失不见。”这项计划的研究人员尼古拉斯•斯坦格说，盖上这块隐形斗篷后，“我们通过镜头观察并用光谱学分析，不论从哪个角度看，都看不到东西，这个凸起消失不见。”这项计划的主持人托尔嘎•艾尔金表示，用这项技术使大件物体隐形，没理由做不到。 三维隐形让物体遁形 许多早期隐形斗篷仅能让物体在肉眼看不到的光所属的波长范围内遁形，而其他类似技术也只能隐藏微小物体。2011年，美国与新加坡科学家组成的一个研究小组在隐形斗篷的研制上迈出了新的一步。由美国麻省理工学院与新加坡―麻省理工学院科研中心的科学家联合研制的新产品在可见光下也能遁形，还可以使肉眼能看到的相对大的物体消失于无形。 这套隐形斗篷是用价格低廉、容易获得的方解石晶体以特定配置组合而成。方解石是一种具有高度各向异性的物质，也就是说，利用两块不同的方解石，研究人员便可以将光折射到置于两块方解石晶体之间的固体周围。 麻省理工学院的乔治•巴巴斯塔蒂斯参与研制了这款系统。他说：“这种情况下组装的方解石晶体之间存在楔形空隙。按照我们的构想，无论你将什么东西放在这个空隙下面，从外面都看不到。”不过，这种隐形斗篷仍存在许多缺陷，例如，它只有在绿光下性能才最佳，这是因为方解石仅能折射有限范围波长的光，同时人眼对绿色最为敏感。 巴巴斯塔蒂斯介绍说，这款隐形斗篷，只有从某个方向去看被藏起的物体时，隐形效果才能奏效，从另一个方向看，这个物体则会“露出庐山真面目”，而且这套系统只能隐藏可以放到方解石楔形空隙下面的物体，而这个空隙只有2毫米高。因此，要想藏起更大的物体，就需要更大块的方解石。巴巴斯塔蒂斯相信，不久之后，他的团队或其他研究团队就会研制出真正的三维隐形斗篷。 对于这套系统的用途，巴巴斯塔蒂斯充满信心，他认为至少可以先用在波士顿的交通系统中――“我是波士顿人，在那里，许多街道的交叉口都非常复杂，你会对红绿灯是为哪些人开着充满困惑。如果采用当前的隐形技术，你就可以令司机看不到某些灯，这样他们就不会感到困惑。” 在热量中隐形 目前，隐形领域的进步都是基于光学的基本原理，其关键在于用特殊材料使光发生弯曲，从而让光绕过某个空间传播。有鉴于此，埃克斯―马赛大学和法国国家科学研究中心的联合研究员塞巴斯蒂安•古纳佑领导的团队决定弄清楚同样的方法是否能用于热扩散。他们的研究结果证实，利用光隐形斗篷技术的很多原理，能够研制让物体对热隐身或将热集中于某一区域的“热隐形斗篷”。 古纳佑说：“这项研究希望能采用声波和光波领域已经取得成功的隐形方法，控制热的扩散。”不过，尽管这项技术的基本原理与光学隐形斗篷类似，但还是有区别――隐形斗篷研究以改变波的轨迹为目的，包括光波和声波等，但热学领域与波领域的最大区别是，热学包含的物理现象是扩散而不是波的传播。 为了制造出热隐形斗篷，古纳佑和同事将光学的物理原理应用到热扩散的方程式中。他们发现，热隐形斗篷技术可以实现。在他们的方法中，热量从温度高的物体扩散向温度低的物体，通过空间任何区域的热量大小用等温线之间的距离表示。古纳佑和同事修改了等温线的几何形状，使等温线不通过循环区域就能到达热量扩散的目的地。这样，在目的地的物体就实现了对热隐形。古纳佑说：“我们设计出的这个斗篷能让某一区域对热隐形，或迫使热集中于一个小区域，接着快速加热该区域。” 最新的热隐形斗篷技术可以应用于很多方面。例如，可以防止纳米电子和微电子设备过热――这是电子和半导体工业面临的最大挑战之一。大型计算机和航空航天领域也有望从中受益。而让热量集中的特点，可以在太阳能工业中找到用武之地。 无论是科学家，还是哈利•波特迷，都希望拥有哈利•波特一样的隐形斗篷。科学家们也正在试图接近这一梦想，不过，研发隐形斗篷面临很多挑战，目前还很难做到完全不反射光线。而且，由于现阶段技术还不够成熟，隐形斗篷想要用在较大的物体上，还得耐心等上几年。（光明网） |
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