CN102778705B - 一种透明超材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透明超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述基板由透明材料制成，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜。基板选用透明材料，而作为人造微结构的碳纳米管薄膜透明的同时还具有优良的电导性，因此能够对可见光产生响应，从而引起可见光汇聚、发散、偏折等，从而将超材料的应用范围从微波拓宽到可见光领域。

Description

一种透明超材料

技术领域

本发明涉及超材料领域，更具体地说，涉及一种透明超材料。

背景技术

超材料是一种能够对电磁产生响应的新型人工合成材料，由基板和附着在基板上的人造微结构组成。由于人造微结构通常为金属线排布成的具有一定几何图形的结构，因此能够对电磁波产生响应，从而使超材料整体体现出不同于基板的电磁特性，这样的电磁特性能实现现有材料不能实现的特殊功能，例如实现电磁波的汇聚、发散等，可用在天线、雷达等电磁通讯领域。

理论上超材料能够应用在各种电磁波上，但是现有的应用领域通常只在微波等电磁通讯领域，而对可见光是不起作用的，这是由基板和人造微结构的选材所限定的。解决利用超材料来汇聚、发散可见光的问题，可以将超材料的应用范围扩展到可见光频段。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种透明超材料。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种透明超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，所述基板由透明材料制成，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜。

在本发明所述的透明超材料中，所述碳纳米管薄膜具有80％或更高的透明度。

在本发明所述的透明超材料中，所述碳纳米管薄膜的厚度在50～1000nm之间。

在本发明所述的透明超材料中，所述人造微结构为“工”字形。

在本发明所述的透明超材料中，所述人造微结构为二维雪花型或三维雪花型。

在本发明所述的透明超材料中，所述基板为透明高分子材料。

在本发明所述的透明超材料中，所述基板为聚甲基丙烯酸甲酯。

在本发明所述的透明超材料中，所述基板为透明聚氨酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。

在本发明所述的透明超材料中，所述人造微结构的尺寸小于将要响应的入射电磁波的波长的十分之一。

实施本发明的透明超材料，具有以下有益效果：基板选用透明材料，而作为人造微结构的碳纳米管薄膜透明的同时还具有优良的电导性，因此能够对可见光产生响应，从而引起可见光汇聚、发散、偏折等，从而将超材料的应用范围从微波拓宽到可见光领域。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明优选实施例的透明超材料的结构示意图；

图2是图1所示的透明超材料的一个超材料单元的结构示意图；

图3是一实施例的透明超材料的每个超材料片层的折射率分布图；

图4是图3所示透明超材料汇聚电磁波的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种透明超材料，如图1所示，包括至少一个超材料片层1，当超材料片层1有多个时，其沿垂直于表面的x方向叠加成一体。超材料片层1包括均匀等厚的片状基板3和附着在片状基板3上的多个人造微结构4。将片状基板3虚拟地划分为多个完全相同的方体形网格，每个网格为一个基板单元30，并使得每个基板单元30上附着有一个人造微结构4，则每个基板单元30及其上附着的人造微结构4共同构成一个超材料单元2，整个超材料片层1可以看作是由多个超材料单元2以第z方向为行、以y方向为列组成的第一阵列。这里的方体形网格，可以具有任意自由划分的尺寸，本发明中优选为y、z方向的长度均为将要响应的电磁波的波长的十分之一、x方向的长度与片状基板3的x方向的厚度相等，因此附着在基材单元上的人造微结构尺寸要小于入射电磁波的波长的十分之一。当然，本发明的超材料单元其x、y、z方向的长度在电磁波波长的五分之一至二分之一之间均可。

超材料单元2的具体结构如图2所示，包括一个基板单元30和附着在该基板单元30表面上的人造微结构4。人造微结构4为具有一定几何图案的薄膜，例如本实施例中，人造微结构4为平面的“工”字形，包括直线型的第一直线和分别垂直连接在第一直线两端的两根第二直线。

人造微结构4也可以为其他形状，如平面的二维雪花型，其包括两个相互垂直相交成“十”字形的第一直线和分别垂直连接在每个第一直线两端的四根第二直线。

人造微结构4也可以为立体的三维雪花型，包括三个两两垂直且相交到一点的第一直线和分别垂直连接在每个第一直线两端的六根第二直线。立体的人造微结构4是通过一定的加工工艺附着到基板3内部的。

当然，本发明的人造微结构4还有多种实现方式，只要由能够对电磁场产生响应的材质所做的薄膜丝线构成的具有一定几何图形从而对电磁场产生响应即改变电磁场特性的结构，均可作为本发明的人造微结构4附着在基板3表面上或者嵌入基板3内部从而形成本发明的超材料单元2。

每个基板单元30及其上的人造微结构4共同决定了它们所构成的超材料单元2的介电常数和磁导率，根据公式可知，已知介电常数和磁导率，即可得到折射率n，而折射率大小表示对电磁波传播方向的影响程度。因此，通过设计各个人造微结构4的形状、大小等，改变各个超材料单元2的介电常数和磁导率，进而得到特定的折射率分布，即可实现电磁波的偏折、汇聚、发散等。

现有的超材料，其人造微结构4通常选用银、铜等材质的有色金属，因为银、铜等金属为良好导体，在其金属结构表面形成表面等离子体效应，良好导体能够尽可能的激发和增强这种效应，从而对电磁波的响应更灵敏、效果更强。

基板3则需要选那些对电磁波没有响应、不影响电磁波或者影响尽量小的材料，即介电常数和磁导率必须尽量接近于1，现有的超材料通常选用陶瓷作为基板材料。

在人造微结构4和基板单元30的共同作用下，超材料在电磁特性方面体现出了一般自然界材料没有的特性，如负折射率材料，波束汇聚，波束偏转，波束平行等特性。并且由这些物理特性，延展出很多新的应用，如通信，光学，器件小型化，探测等领域。

但是，由于人造微结构4和基板3均为不透明材料，因此现有超材料主要应用于微波波段，对可见光不能产生作用。本文所述的透明，是指透光度达到80％以上。

本发明的创新点之一在于，选用透明材料作为基板3，例如透明有机高分子材料等。优选实施例中，本发明的基板3选用透明有机玻璃，即聚甲基丙烯酸甲酯，英文简称PMMA。可用作基板3的其他透明有机高分子材料还可以是透明聚氨酯、聚乙烯(PE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)等等。

这些材料的介电常数均不高，选在1～5之间，而磁导率基本上都为1，符合作为基板3的前提要求。同时，这些材料通过现有技术的制造工艺，都可实现透明或半透明，使得可见光透过。

本发明的创新点之二在于，进一步地，人造微结构4也选用透明或半透明材料，本发明选用碳纳米管薄膜。

碳纳米管作为一种新材料，具有质量轻、强度大的特点，更为重要的是，碳纳米管具有优良的导电性能，当其管径小于6nm时，可以被看成是具有良好导电性的一维量子导线。

本发明的碳纳米管薄膜，是含有碳纳米管的薄膜，包括离子导电聚合物粘接剂和分散在粘接剂中的碳纳米管，粘接剂为具有引入磺酰基的氟代聚乙烯，或者为具有引入羧基、磺酰基、磷酰基或亚氨磺酰基的热塑性聚合物。

碳纳米管薄膜在厚度为50～1000nm之间时，为透明无色，由于具有良好的电学传导性，因此可以作为导电薄膜来替代银、铜来制造人造微结构以便对电磁波产生响应，同时，还具有很好的透光性，从而将超材料的应用由微波领域拓宽至可见光。

在制造超材料的过程中，先将碳纳米管分散在水溶剂中，将离子导电聚合物粘接剂溶解于乙醇溶液中，然后将碳纳米管的水溶液和离子导电聚合物粘接剂的乙醇溶液混合，用搅拌器充分搅拌混合后的溶液。然后，将制得的溶液涂到透明有机玻璃等高分子材料制成的基板3上，水和乙醇挥发，形成粘接到基板上的碳纳米管薄膜，构成人造微结构4。各个人造微结构4均按一定设计涂布完成，即制得一个超材料片层1，最后将多个超材料片层1封装成为一块完整的超材料。当然，本发明的碳纳米管薄膜也可以是通过其他方式附着到基材3上，且碳纳米管薄膜并不必然通过离子导电聚合物粘接剂将碳纳米管粘接到基材表面上，也可通过其它材料或方式实现将碳纳米管附着到基材上形成薄膜，本发明的碳纳米管薄膜只要是具有一定厚度的碳纳米管而形成薄膜即可。

由于基板3和人造微结构4均为透明材料，因此这样的超材料可用于可见光领域，极大的拓展了超材料的应用领域和范围，有着重要的科研价值和经济价值。

例如，设计一个超材料片层1，其折射率为环形分布，如图3所示，将折射率相同的超材料单元2的中心点练成一条曲线，且曲线越密表示折射率越大。由图可知，本发明一实施例的超材料片层1的折射率以一中心的超材料单元为圆心，距离该圆心相等的一圆周上的各个超材料单元2其折射率相等，半径越大则该圆周上的超材料单元的折射率越小，即该超材料圆心处折射率最大，沿径向向外折射率逐渐减小，且相邻圆周上的折射率的差值自圆心向外逐渐增大。满足这样的折射率分布的超材料片层1即可实现电磁波的汇聚。对于形状相似的人造微结构4，人造微结构4越小，相应的超材料单元的折射率越小。

如图4所示，多个图3所示的超材料片层1叠加形成一个透明超材料，一束平行的可见光可以穿过透明的基板3和人造微结构4，且其折射率分布将使得可见光向一点汇聚，实现类似凸透镜的功能。

当然，通过设计各个超材料单元2的人造微结构4，可实现各种折射率分布，进而实现普通超材料所能实现的电磁波偏折、发散等其他功能。但本发明由于采用透明的基板3和人造微结构4，将电磁波由微波波段拓宽到可见光频段，是一次革命性的进步，有利于替代传统的光学元件如凸透镜、凹面镜等，而本发明的超材料片层1均为平面板，无需特别设计凸面或凹面等复杂曲面，大大简化了设计和加工过程，能够有效降低设计、制造成本。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种透明超材料，包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括片状基板和附着在所述基板上的人造微结构，其特征在于，所述基板由透明材料制成，所述基板为透明高分子材料，所述人造微结构为具有几何图案的碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜具有80％或更高的透明度，所述碳纳米管薄膜的厚度在50～1000nm之间，所述碳纳米管薄膜包括离子导电聚合物粘接剂和分散在粘接剂中的碳纳米管；所述超材料片层圆心处折射率最大，沿径向向外折射率逐渐减小，且相邻圆周上的折射率的差值自圆心向外逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微结构的几何图案为“工”字形。

3.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微结构的几何图案为二维雪花型或三维雪花型。

4.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述基板为聚甲基丙烯酸甲酯。

5.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述基板为透明聚氨酯、聚乙烯。

6.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚氯乙烯。

7.根据权利要求1所述的透明超材料，其特征在于，所述人造微结构的尺寸小于将要响应的入射电磁波的波长的十分之一。