超材料：突破自然极限，设计未来技术
从“隐形斗篷”到下一代通信，人造结构正在改变世界
19世纪初，法国一直在寻找让灯塔灯光照得更远、更亮的方法。当时用于照明的凸透镜又重又贵，要提升性能就必须把镜片做得更厚。
年轻物理学家菲涅耳用完全不同的方式解决了这个问题。他只保留折射光线所必需的表面，把其余部分切削成台阶状，发明了菲涅耳透镜。在不改变材料和物理定律的前提下，仅通过改变形状和结构来提升性能。
此后，科学家们把“仅靠结构设计就能改变物质功能”的可能性扩展到了更广阔的领域，“超材料（meta material）”就是代表性例子。为了操控光、声音、电磁波、热等波动性质而精细设计出的人工结构体，就是超材料。
关键不在于材料成分，而在于比波长更小尺度上排布的微结构。这种结构会影响波的传播方式，从而产生新的折射率、反射率、透过性等物理特性。它是一种通过对空间形态进行数学化设计，来改变物质响应方式的技术，而不仅仅是改变组成成分。
用“形状”控制波动……“更薄、更强”
韩国电子通信研究院（ETRI）智能材料研究室的Hong Seonghun博士表示：“超材料是一种经过加工的人造材料，可以实现自然界中不存在的特殊物性”，“通过调控结构、形状、排列等，就能按需实现材料特性。”正因这种方式，超材料在减轻重量和体积的同时又能提升性能，在众多技术领域备受关注。
2006年，美国杜克大学的David Smith教授研究团队与英国的John Pendry教授利用超材料，以让特定频率的微波绕行的方式，成功演示了“隐形斗篷”的原理，从而在普通大众中广为人知。
超材料最先在光学领域展现出实用化的可能性。传统镜头是通过厚玻璃来折射光线，而超透镜则利用按纳米尺度设计的表面结构来汇聚光线。
这种方式可以实现又薄又轻的镜头，有利于智能手机相机、增强现实（AR）·虚拟现实（VR）设备以及可穿戴显示器的小型化。在显示领域，通过选择性透射或反射特定波长的光，可以制造出高分辨率有机发光二极管（OLED）、量子点发光二极管（QLED）、全息显示等。
超材料在改变电磁波传播路径方面同样效果显著。电磁波穿过或被物质反射时，其角度和强度会因内部结构不同而发生巨大变化。通过对这种结构进行精密设计，超材料可以让电磁波向一侧弯折，或集中到特定方向。
这项技术在卫星通信、无线收发、面向第六代移动通信（6G）的高灵敏度天线等通信领域具有很大应用潜力。实际上，美国民营企业Kymeta已开发出利用超材料的平板型卫星天线，实现了在船舶和飞机等移动环境中也能稳定接收卫星信号的商用技术。
让光弯曲、改变电波方向、控制能量的技术
在国防领域，超材料通过吸收电磁波或减少散射，被应用于隐身技术。作为电磁波屏蔽材料、雷达吸收体、无线信号干扰阻断材料等，超材料正被视为实用替代方案。
在能源效率和精密控制技术方面，超材料也在推动演进。像热和声音这样具有波动性质的物理量同样可以被控制。与光一样，热和声音也会根据波长被反射或吸收，其传递路径也会随结构而改变。只要对微结构进行精密设计，就能以传统材料难以实现的方式来调控热量和声学特性。
在太阳能发电组件中，通过采用只让可见光通过、阻隔红外线和紫外线的滤波结构，可以降低过热和老化，提升发电效率。建筑用门窗或电子设备内部的散热材料，也有望减少不必要的能量损失并提高热管理性能。
声学超材料则是一种通过阻断或扭曲特定频率声音，使其听不见的技术，可应用于隔音设施、高灵敏度声学传感器、定制化声音过滤设备等。通过改变振动的传递路径，对机械冲击或振动进行精密调控的技术也在研究之中。
在医疗与生物领域，超材料同样展现出新的可能性。由于可以选择性地放大或聚焦特定频率的波动，因此能够实现探测极其微弱生理信号或病理变化的高灵敏度传感器。能够比以往更精确地识别极少量病毒、癌细胞、疾病标志物等，有望应用于早期诊断和精准诊断技术。
通过将光、热或声波集中在特定位置，可以选择性地刺激或破坏病灶，有利于微创手术或靶向治疗。还在研究一种方法：将特定药物与超材料结构结合设计，使药物只在体内满足特定条件时才被释放。这种被称为智能药物递送系统的技术，有望提高药效并减少副作用。
浦项工大以制造创新加速商用化
超材料目前仍处于商用化初期阶段，但韩国在制造技术领域尤其展现出突出的竞争力。Noh Joonseok浦项工科大学（POSTECH）教授研究团队开发出了超透镜的大规模量产工艺，加速了小型高性能光学器件走向现实。
由于超材料必须把纳米级结构体精确排布到位，采用既有工艺时生产单价高得惊人。实际上，直到2019年，一片用于相机的超透镜价格还高达500万韩元（4000美元）。
然而，Noh教授团队通过将半导体工艺加以应用，大幅降低了制造成本，目前已经奠定基础，使超透镜的生产成本可降至低于1万韩元（8美元），比传统光学系统更便宜。
Noh教授强调称：“我们掌握了将工艺单价大幅降低、以比传统折射光学系统更低的价格大规模生产超透镜的技术，这是全球范围内只有我们实验室能够做到的领先技术。”
他还表示：“在浦项制铁的支持下，浦项工大与浦项产业科学研究院（RIST）携手完成了超透镜量产技术，目前正不断接到来自全球企业和研究机构的合作请求”，“我们正在推动在增强现实眼镜、超小型相机、全息显示等多个领域的实用化。”
包括三星电子和LG电子在内的韩国企业，也在第六代移动通信、下一代显示、高灵敏度传感器等多个领域关注超材料的潜力。通过产学合作验证技术、探索实际产品应用可能性的研究也在不断增加。
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