3D打印創新小故事：看不見的超材料

捏在中南大學教授黃小忠手中的，是一塊看似平淡無奇的灰黑色正方形平板，大小和厚度像常見的平板電腦。顯示它的不一般的是，板上密密麻麻整齊排列著極其細小的錐形凸起，每一個錐形體，細到堪比繡花針。
“這叫3d打印吸波材料，通俗地說，就是一種可以隱身的超材料。”黃小忠說，手里的這塊“超材料”其實可以用3d打印成平面、曲面等任何形狀，表面的錐形結構則是電磁波吸收體。
隱身技術的主要原理，就是用吸波材料吸收包括光在內的電磁波，不讓光線或者電磁波反射回人眼或雷達之類的電磁波接收器。通過實際測試，黃小忠手中的這種超材料在微波段有很好的吸收作用。“舉個例子，雷達通過發射微波去探測目標，如果用這種超材料給無人機披上‘隱身外衣’，也許就能避開雷達的偵察。”
黃小忠打印出的這塊平板，板上每一個微小錐形體內部包括了10萬個物理單元，每個單元用到哪些材料，這些材料如何組合，都是由科研人員通過微觀結構的設計構建而成。所以，黃小忠更愿意用“對材料的編碼”來形容他和團隊的工作，類似于細胞重新編碼以后體現出新的組織特性，對材料進行編碼后長成的“超材料”，是自然界中無法找到卻具有良好“隱身”性能的人工產物。
黃小忠以前也在自然界中尋找現成的吸收電磁波能力強的材料，或者把幾種現有的材料組合成為復合材料，獲得“隱身”的性能。但隨著時間推移，“隱身材料研究通過挖掘材料性能潛力的發展已經陷入瓶頸”，于是超材料的設計制造進入黃小忠的視野。但超材料微結構的實現往往需要比較復雜的工藝，這嚴重制約了超材料的發展及應用前景。
“超材料最核心的是設計，什么成分放在哪個位置，是實現隱身性能的關鍵;最難的是怎么制造出來，最終達到工程化制造也就是大規模生產。”去年，黃小忠偶爾一次和3d打印機接觸，立刻意識到3d打印這種快速成型技術很適合超材料的制造——通過逐層打印，最小處理結構甚至能達到10微米。
于是，黃小忠帶領研究團隊，通過復雜的計算機設計，并精心選擇、調配有機物和金屬兩種材料作為打印原料，最終用特制的3d打印機打印出了現在的這種超材料，也申請了專利。“現在這塊板是18厘米邊長，未來要打出具有實用性的幾米長的大件，大概還要3—5年。”
對于使用3d打印機規模化制造超材料的應用前景，黃小忠覺得想象空間很大：未來太空隱形飛行器的零部件，可以迅速打印出來進行更換。目前普通人對空氣凈化器的關注度很高，其實生活中還存在手機、家用電器等不少電磁污染。說不定在不久的將來，等到3d打印機能夠大規模制造隱身超材料，家用電磁凈化器就會誕生了。


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