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浙大发明玻璃"隐身衣" 金鱼穿行其间竟突"消失"

http://www.kexue.com 2013-11-08 09:35:46 半岛晨报  发表评论


浙大发明的玻璃“隐身衣”

  那件让哈利-波特在魔法学校自由穿梭的隐身衣,将不再只出现在虚拟世界中。近期,一则关于“隐身衣”的新闻引起极大关注。浙江大学研制出了六边形玻璃“隐身衣”,使铅笔、金鱼和猫成功隐形。记者从浙江大学“电磁波隐身衣机理及实验研究”项目团队了解到,根据用坐标变换方法设计隐身衣理论,“让光线像溪流绕过石头一样”,他们用普通玻璃制造出了隐身器具。

  “奇迹”时刻

  铅笔、金鱼和猫,都“不见了”

  一个正六边体的柱状玻璃装置,边长5厘米,高度5厘米,正六边体的中心是一个孔洞。将正六边体放进装满水的透明鱼缸,透过正六边体,可以看到鱼缸另一侧的完整景物。用一支铅笔穿过正六边体中心的孔洞,神奇的事情发生了,铅笔插进正六边体孔洞的那段消失不见了——透过玻璃器具,依旧可以看到鱼缸另一侧的完整景物,就像没有插进铅笔时一样——铅笔的中间部位“隐身”了。

  一条小金鱼游进了正六边体孔洞,突然消失“不见”了,鱼缸另一侧的背景没有发生任何变化。过了一会儿,小金鱼的头从孔洞里钻出来,它的身子还是看不见。金鱼慢慢地游了出来,它的身体逐渐呈现在大家面前。

  另外一个个头更大的六边形玻璃装置里,蹲着一只小猫,从某个特定的角度看过去,小猫突然“消失”了。

  这是发生在浙江大学信电系实验室里的一幕,两个玻璃装置就是浙江大学国际电磁科学院陈红胜教授团队最新研制的“隐身衣”。陈红胜说:“这几项实验意味着,隐身器件不仅能隐藏像猫、鱼这样大的物体,生物还能和隐身器件一起活动,隐身效果不会受到影响。 ”

  研究“魔法斗篷”6年前已被解密

  其实,早在6年前,陈红胜就开始“隐身衣”研究了。

  2007年,陈红胜与美国麻省理工学院合作完成的论文“电磁波与隐身衣的交互机理研究”,刊登在物理学顶级学术刊物《物理评论快报》上。

  论文首次解释了隐身衣的物理机制,提出了对隐形效果定量分析的理论框架,这项成果对隐身衣的设计起到重要的指导作用。

  以报道国际最新科研成果著称的知名科技网站“全球科学新闻网”,以《科学家解释了隐身衣背后的物理机制》为标题,详细报道了这项研究成果,并对陈红胜进行了专访。

  原理 让光线像溪流一样绕过石头

  想要使物体“隐身”看不见,就要先明白物体为什么能看见。

  按照“电磁波隐身衣机理及实验研究”项目团队的介绍,当电磁波照射到物体上时,会在物体上发生散射。散射的电磁波被人眼等“感应器”接收后,就能发现那里存在物体。“目前现实中应用的隐身技术,比如隐形飞机,主要是通过吸收雷达发生的电磁波,使得反射回去的电磁波最小或者等于零,从而使雷达感觉不到,但这种技术并不是真正的隐身。 ”陈红胜说。

  2006年,英国帝国理工学院的约翰-彭德里等在《科学》杂志上发表文章,提出了利用坐标变换的方法设计隐身衣,既不反射也不吸收电磁波,而是使电磁波能够绕过被隐身的区域,按照原来的方向传播,从而可以使物体完全隐形。这是隐身衣设计的“殿堂级”理论,奠定了隐身衣研究的理论体系。它的核心思想是,通过材料表面折射率的改造,让光线“转弯”绕过物体按原方向传播,就能将物体隐藏。“小溪里有一块石头,溪流会在石头前分流,绕过石头后再合拢了继续向前,就像没有遇到过石头一样。”浙江大学的研究团队要做的,就是让光线像溪流一样绕过石头。

  实用 设计出可见光波段多边形隐身衣

  理论有了,但要制造一件隐身衣出来并不容易

  最近两年,陈红胜的研究团队将研究重点放在了如何在可见光波段实现物体隐形上,也就是说,怎样让物体在人的肉眼前“隐身”。他们对彭德里提出的理论体系进一步简化,提出了一种可见光波段多边形隐身衣的设计方法,通过均匀线性变换的方法,设计并简化了隐身衣的各个部分的参数,让隐身衣从理论走向了实用。

  “人眼对光线的相位和略微延时并不敏感。 ”研究团队结合这一特性,剔除彭德里理论中“光线保持相同相位”的条件,“这样,隐身器件能够使用更加易得的材料,也不需纳米级工艺雕琢,降低了隐身衣的设计和实现难度。 ”

  2012年,陈红胜研究团队用一种自然界存在的双折射晶体研发了一套柱形隐身器件,实现让一根筷子粗细的物体隐形。“但是这种材料的尺度很小,且只能对某个极化的光才可以隐形,又无法大规模制备。 ”

  2013年,通过进一步的理论分析,研究团队对隐身器件的参数进行优化,并选用在工业上可以大规模制备的一种玻璃作为隐身衣的材料,将隐身衣的“尺寸”扩增到直径分米量级以上,并且可以在任意极化的自然光下隐身。

  应用前景

  实现真正隐身,目前还很困难

  彭德里看到了浙江大学的研究进展,他表示这是隐身衣研究领域“一个真正的进步”。

  目前,浙大的“隐身衣”还很初级,只有从六边形隐身器件正对六条棱角的方向看过去,才有比较好的隐身效果。另外,“隐身衣”本身也并不能隐形。

  据介绍,目前隐身器件的研究方面归为两类:一类是地毯式隐身器件,物体躲在地毯式隐身器件下面,对于上面的观察者来说,看到的效果就像平整的地面一样。第二类就是人们通常所理解的哈利-波特式隐身衣,可以脱离地面移动。

  浙江大学的研究属于第二类型。从应用的角度出发,隐身衣如果能有较好的应用,必须要能够工作在宽频带、全方向、全极化,要实现这个最终目标难度非常大。“电磁波隐身衣机理及实验研究”项目团队表示,要实现彭德里“完美隐身”的理想,制造出穿在身上的真正的隐身衣,目前还非常困难。因为存在材料参数苛刻、不够轻便等技术瓶颈,因此目前隐身衣的研究主要还处于实验验证及测试阶段,离应用还有很长的距离,不过研究团队很有信心,“电磁波隐身,将是隐身技术真正走入生活领域的一个重大契机。虽然目前的技术还存在一定的局限性,但我们有理由相信,人类实现隐身的梦想终将实现。 ”

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