实力科普：给我一点超材料 还你一件隐身衣！

　　来源：科学大院微信公众号

　　“大爷穿上国产隐身衣，凭空消失！”前段时间，这个视频在网上超火的~

　　不过！如果大家认为披上一件薄薄的外套，就能让整个人变得透明，甚至消失得无影无踪，那么不好意思让你失望了，我们的材料科学目前还没发展到这个阶段。所以“网红”隐身衣之类的“神器”，都是移花接木的电影特效，电影特效，电影特效！

　　虽然“网红”隐身衣是假的，但“隐身”可是切切实实存在的科技！

　　金鱼为什么消失？

　　浙江大学陈红胜教授课题组在水缸里放了个六边形的隐身块（下图左），它蓝白相间，中心有一个小孔，当金鱼游进小孔后，相机只能拍到隐身块后方的水草，而金鱼却从画面中消失了（下图右）。

左：水缸里的隐身块；右：相机拍摄画面

　　这是一项很有意思的研究啊！广大男同胞们可以用它来藏私房钱（嘿嘿）。

　　我们不禁想问，这样的隐身技术是什么原理呢？？？

　　这还得从人为什么能看到鱼说起。

　　光线照在鱼身上后，会产生各种各样的散射，这些散射波传到我们的眼睛，就形成了我们所看见的小鱼的模样。既然如此，如果我们能控制光线从小鱼身边绕过去，那么就没有光的散射，小鱼也就会“看起来”消失不见！

隐身原理示意图

　　问题又来了，水缸里的隐身块是怎么实现隐身效果的呢？

　　下图是光线在水缸里的传播路径，其中红色的线代表水草方向传来的光波，光线在传播过程中绕开了中间的小孔区域（即隐身区域），传到右侧的相机中。中间的小孔并不会遮挡水草散射出来的光线，所以我们仍然能够看到隐身衣后方的水草；由于光波绕过了藏匿在小孔中的金鱼，所以金鱼就消失不见了。

水缸隐身块原理示意图

　　隐身技术的关键——操控波的传播

　　众所周知，光波是一种电磁波，它在空气中衰减很小，传播很远后仍然可以被检测到，所以我们看得见远方的物体；在海水中光波则衰减很大，传播一小段距离后就微弱到可以忽略不计，所以深海之中一片漆黑。据此，我们往往使用声波代替电磁波来探测水下目标。

　　声波探测的道理与光波相同，声纳发出的声波遇到目标后也会产生散射，此时声纳接收到散射波信号，就发现了目标物体（下图）。

单个声纳进行探测

　　以往人们通过吸收声波来躲避声纳的探测，将探测发出的声波能量尽可能地“吃掉”，散射回波就会大幅减小。在单个收发合置的声纳（既负责发射探测声波，又负责接收散射回波）探测的情景中，这种方法是有效的，没有散射回波，探测声纳就认为没有物体存在。

　　但是，如果海洋中到处都布满了声纳，声纳之间互相接收信号，此时继续使吸收声波，会造成原本应该存在的探测信号突然消失，就好比在你的眼睛和灯光之间放上一块吸光的黑布，出现明显的遮挡，这块布就露馅了。就如下图的情况，当目标物出现时，虽然左侧的声纳没有收到回波，显示正常，但右侧的声纳却会发现，咦？怎么声波被挡住啦？马上发出警告！

多个声纳进行探测

　　这时，你需要新型的隐身衣！从一侧声纳发出的声波，经过隐身衣绕过目标，传到另一侧的声纳，在众多声纳眼中，目标物体就像前文的金鱼一样消失了，既没有回波，也没有遮挡，布放再多的声纳也无济于事。

　　使目标透明的隐身衣：覆盖隐身衣后的目标基本没有散射回波，而且不存在声波的阴影区，仿佛从声场中“隐身”。

　　那么如何实现声波的操控并做出隐身衣呢？

　　超材料怎么变隐身魔法？

　　如何实现声波的操控？这是众多科学家前赴后继研究的问题。

　　声波的传播需要介质，而介质直接决定了声波的传播速度、折射方向等特性。于是，声波的传播介质成为了科学家的关注点。随着人们对声学、力学的认识逐步加深，一种叫做超材料的人工复合结构/材料进入科学家的视线。

　　什么是超材料？

　　当我们把介质里很微小的人工结构（远远小于波长）进行有序排列后，就可以改变介质的宏观性质。这些经过人工排序的微结构组成的介质，就叫做超材料。

　　知识点

　　为什么微结构可以改变宏观性质？

　　因为微结构们太小啦！声波并不能识别出它们，只能从整体上感受出介质的特性。因此，利用这些细微结构就可以制作相应的器件，实现对声波的操控。这就跟画画一样，肉眼并不能辨别出颜料中的分子（细微结构），只能看到颜料整体显示出的颜色（宏观性质），如果我们将这些颜料合理布局，就能画出一幅美妙的作品。

　　基于这种理论，具有“隐身”功能的新型声学器件开始出现。

　　比如声波偏转器：将一系列特定的微结构排列成扇形（图中的黑线），可以获得改变声波传播方向的超能力。当声波从左向右发射进入扇形结构后，前进方向会逐渐发生偏转，最终转向90o，变成了向上传播。

超材料控制下，声波会偏转90°

　　这里的微结构是什么？细细观察图中的一小段黑线，可以看到，微结构是一系列从左往右