image: 提出的魔方超材料及其魔方超级单体的原理图和功能说明。魔方超材料是由一组超级细胞排列在一个正方形的魔方晶格中作为基座形成的。每个超单元的反射相位响应由其下方子块的三维排列控制，并且可以在六个级别上独立调谐。在全极化入射电磁波下，魔方超材料可以机械灵活地加工以实现定制功能，包括但不限于f1到f4范围内的type-Ⅰ（可重构消色差超构透镜）和type-Ⅱ（可调多功能波束发生器）。中上面板显示具有透明衬底的元粒子，允许可视化的实时序列映射。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
由亚波长周期性或者准周期单元排布而成的人工结构材料，即超材料，一经问世，便迅速引发了科学界和工程领域的广泛关注与深度探索，有望实现许多传统材料中难以甚至无法实现的奇妙现象。为适应复杂多变的场景需求，动态超材料被提出，旨在通过改变等效物理参数或者重构材料形态，两者通常分别对应电激励或者机械激励，来突破静态超材料的设计局限。机械可调超材料，相比于电可调超材料，尽管在灵敏度和响应速度上存在劣势，但简单的结构组成和优异的力学承载，使其在工业制造与极端环境下凸显优势。然而，当前的机械控制方法仅在部分电磁动态控制中得到验证，仍然面临着一些关键挑战的阻碍，包括极化敏感性、实时反馈差和信息容量低，主要源于有效形变模式与设计策略的缺失。
为此，王甲富教授及其合作者开创性地集成了三维魔方架构和超材料元素块。这种协同设计框架成功地解决了现有机械调控手段局限于适应性低、交互性弱和信息量少的关键限制。这项有趣的创新，最近被发表在Science Bulletin杂志上。
研究小组在魔方子块上粘接光学透明的超材料元素块，利用其对称分布的空间结构和子块循环往复的特性，独立控制共面超元素的位置和取向分布，从而构造电磁场可变的魔方超材料。相比于经典的折纸/剪纸辅助框架或机械可编程超材料，三阶魔方的空间置换，扩展了可承载的信息量和可操作的自由度，借助数学中的几何变化实现了物理中的功能集成和极化适应。制备的两个原理性说明样件，可重构消色差金属透镜与可切换多波束发生器，表明了该设计方案在电磁近场和远场特性切换中具有较高的极化适应性、具有显著识别的状态和易于部署的优势，为面向未来的人机交互和电子干扰装置铺平了道路。
研究人员强调了更加广阔的视野，他们说：“这项技术只是我们在动态超材料设计新范式中做出的第一步努力。展望未来，我们计划将从机电混调，智能集成和频谱兼容三个方面，来推动该超材料技术从实验室向多元化和系统化实际应用中的转化和落地。”
Journal
Science Bulletin