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[转载]科大研发消低频噪音薄板厚度仅五毫米: 热度 1 zsunnywell 2014-1-11 17:57; 科大研发消低频噪音薄板厚度仅五毫米 2013-07-11 14:39:01 | 来源：大公报 | 我要分享字体 0 图：杨志宇（左）和沈平（右）六月获得国际声学协会颁发Brillouin奖章，表扬两人在开拓局域共振声学和弹性超材料等领域的贡献\本报记者彩雯摄　　【记者彩雯报道】闹市干道旁的居民，想必曾为汽车发出的低频噪音而烦恼。科技大学运用全新原理，研制局域共振声学材料，该材料能有效屏蔽或吸收低频噪音，厚度仅为五毫米，兼具抗震功能。该研究获得超过五项专利，并获国际声学协会所首设的奖项─Brillouin奖章。　　资料显示，人类长期暴露在低频噪音，可引致耳痛、耳鸣、恶心、视觉模糊等。孕妇和胎儿如长期受低频噪音骚扰，容易神经衰弱、失眠、头痛等各种神经官能症，甚至导致胎儿畸形。　　科大物理学系研究团队打破“物质密度限制的声音传输定律”，以橡胶薄膜及众多小铁片制成隔音薄板，屏蔽或吸收低频噪音。当低频声波传到薄膜，小铁片会随声音共振拍动，将介乎100至1000Hz的声音波段有效屏蔽或吸收。科大物理学系陈子亭教授表示，研究成果与传统材料最大的不同，在于其突破传统隔音材料受物质密度限制的声音传输定律。“传统原理是运用声音与物质的摩擦，达致吸收或减低噪音。我们的研究成果则是利用局部共振原理，屏蔽或吸收传统材料无法吸收的低频噪音。” 　　传统砖墙隔声有限　　同为物理系教授的沈平补充，旺角、铜锣湾，低频噪音可达到70分贝左右，而八层厚达80厘米的砖墙，仅可吸收40分贝的低频噪音。“超材料重量相当于五毫米平板玻璃，可根据具体噪音源改变其结构，最薄达三厘米。”超材料可应用于曲面，又不须纳米碳管等特殊材料。“具备隔音及防震功能，可广泛应用于不同范畴，如汽车、飞行及太空仪器、建筑物、机场，以至大型基建设施。” 　　陈教授表示，自2000年第一代局域共振超材料，至今已是第三代。“第一代是将铅、铁球用树脂凝聚，变成六层的方块材料，重量介乎20至30公斤，又厚又重。”到第二代运用塑料或合金架制作，阻挡频率低至300Hz的噪音。“第三代则利用薄膜将可吸收的噪音频率降低至50Hz。”整个研究历时十多年，耗资约200万港元。; 个人分类: 超常介质/材料|3647 次阅读|2 个评论

蚕丝不只可做绸缎: 热度 1 vpssa 2011-3-11 22:12; 昨晚，有意的看到了一篇SIBS李胜研究组发现的一种提高蚕丝产量的新方法，使我陷入了可低成本绸缎衣服的遐想。今天，一不小心，看到新浪科技彬彬编译整理的《美国科学家利用蚕丝研制出超材料》。显然我对蚕丝的想法过于单一了，请原谅我好吃懒做坏习惯的无情暴露。以下内容来自： http://tech.sina.com.cn/d/2011-03-11/07555272516.shtml 北京时间3月11日消息，美国塔夫斯大学和波士顿大学等研究机构科学家在蚕丝、蛛丝等方面的研究近期取得最新进展。他们利用蚕丝、蛛丝等研制出超材料及相关产品，这些材料和产品在医药以及其他许多领域都将有广泛的应用。　　 1. 处理蚕茧处理蚕茧　　美国塔夫斯大学研究人员正在处理蚕茧：先将蚕茧煮沸，然后从中提取蛋白质用于生产某些新的物质，新物质在医药以及其他许多领域都将有广泛的应用。　　 2. 蚕丝脱胶蚕丝脱胶　　在蚕丝脱胶过程中，塔夫斯大学研究人员马克·布伦克尔向沸水中加入碳酸钠。　　 3. 丝管丝管　　将一个蜡模浸入蚕丝溶液中会形成一种丝管。丝管有着许多组织工程学应用，如血管移植、神经导管等。　　 4. 蚕丝全息图蚕丝全息图　　博士后研究人员胡虎涛拿着一幅用蚕丝制成的全息图，图上显示的是莫比乌斯带和塔夫斯大学标识。　　 5. 超材料超材料　　该项研究是由塔夫斯大学与波士顿大学等研究机构联合开展的。他们所取得的成果将有着广泛的应用，其中一种可能的应用是，利用蚕丝作为制造太赫谐振腔等产品的超材料。　　 6. 超材料应用超材料应用　　超材料可以通过多种方式处理光或其他电磁辐射，而天然的普通物质则没有这种功能。本图中，一位研究人员正发射一束激光，激光穿透一片带有衍射光学图案的柔软丝薄膜，最终形成了一个眼睛的图案。 7. RFID线圈 RFID线圈　　一种用蚕丝材料和黄金制成的RFID线圈，这种线圈可以用来辨别食品是何时变质的。由于蚕线上的化合物很稳定，因此用蚕丝制成的薄膜可用来在室温下长期存储疫苗或其他药品。　　 8. 脱胶丝脱胶丝　　实验室中脱胶的丝。丝是一种纤维状蛋白质，通常形成于蚕、蜘蛛或其他昆虫体内的腺体内。这些昆虫的许多特性在实验室中是无法模拟的，如它们能够巧妙地控制丝的化学成份，使其变成有形的固体，而在它们的体内这些丝质是呈液态的。　　 9. 纯净蚕丝蛋白粉纯净蚕丝蛋白粉　　纯净的蚕丝蛋白粉可以用来制造有溶解能力的丝支架，这种丝支架可以在人体内使用很长时间才开始溶解。　　 10. 超材料天线超材料天线　　利用蚕丝材料可以在薄膜上产生复杂的结构，从而制成超材料天线用于监测人体的健康状况。　　 11. 蚕丝凝胶体蚕丝凝胶体　　蚕丝凝胶体可以用于药物传输、细胞封装、组织修补以及整形手术等。　　 12. 丝支架丝支架　　在组织工程学中，丝支架可以用作细胞底物，从而为细胞生长提供一个三维环境。　　 13. 丝质艺术品丝质艺术品　　一件用茧制成的丝质艺术品。; 个人分类: 研究资讯|4368 次阅读|1 个评论

从黑洞到“微波黑洞”: songshuhui 2009-12-25 17:24; 想娶奶茶发表于 2009-12-23 15:25 黑洞的大名几乎家喻户晓，尽管最初它被认为是仅仅存在于理论中的怪胎，但现在几乎人人都能准确的说出它的主要特点：黑洞引力场很强，能把身边所有的东西都吸进去，就算是光也逃不出来。对于科幻作家而言，黑洞是影视文艺中吸引眼球的优质题材。对于物理学家而言，黑洞是理论研究中温故知新的理想模型。对于天文学家而言，黑洞是天文观测中充满争议的激动发现。而这一切，似乎看起来离现实生活都无比遥远 2009年10月，东南大学的两位科学家崔铁军和程强，制造了人类历史上第一个微波黑洞。就像黑洞的行为一样，它能够将绝大部分入射的微波吸入其中。从此，黑洞的概念不再只是遥不可及的狂想和理论，随着研发的进步一深入，黑洞正一步步的走近我们的身边只不过，它和传统意义上的黑洞略有不同，它是一个不产生超强引力场的人造光学黑洞。黑洞无法逃离的深渊黑洞给人的印象是一个非常冷酷的家伙。宇宙中的黑洞一般是由濒临死亡的大恒星坍缩而形成，体型巨大，食量惊人。如果这个恒星生前有一颗伴星围绕在周围，那么黑洞不管三七二十一，会将它的伴侣一点点的吞噬。从伴星的表面流失的高温气体，形成几股绵延千万公里的螺旋线，在逐渐落入黑洞之前剧烈摩擦，产生了大量的X射线，像是落入深渊前的绝望呼喊。尽管黑洞外面的世界多姿多彩，然而任何被黑洞吞噬的物体，对黑洞的意义仅仅在于改变了它的质量，角动量或电荷的数值。因此黑洞没有任何个人色彩，如果要给宇宙中的黑洞们上户口的话，那么除了出生日期和家庭住址之外，只需要留出填写那三个数字的位置就足够了。图1黑洞想象图从黑洞的概念被提出以来，科学家一直没有停止对黑洞在现实中是否存在的探索。鉴于黑洞深藏不露，寻找这个冷酷的家伙只能采用间接的办法。例如，距地球8000光年左右的天鹅座X-1双星系统发射出大量的X射线，因此科学家推断这个双星系统中较为致密的那颗是一个黑洞。而对银河系中心附近的28颗恒星的运动轨迹的研究也显示，那里存在着一个中心质量为太阳四百万倍的大型黑洞。这样的状况容易让人担心，既然黑洞这么厉害，那么它会不会有一天把太阳和地球全都吞噬掉呢？好在太阳系距离银河系中心非常遥远，而且又随着银河系众成员一起围绕中心旋转，产生的离心力可以抵消黑洞的引力，使我们暂时不需要杞人忧天。图2黑洞模拟图地球外面的黑洞可以暂时不考虑，地球上的黑洞却惹出了大麻烦。2008年，位于瑞士日内瓦近郊的大型强子对撞机（The Large Hadron Collider，缩写为LHC）启动前夕，许多人担忧LHC运行中产生的巨大能量可能会制造出一个微型的黑洞来：对于地球来讲，这个黑洞也许比银河系中心的黑洞更具有威胁。在惊恐之中有些人选择了自杀，而有些人试图通过诉讼来阻止LHC的运行。对此，LHC的科学家解释说，这样的担心同样没有必要。首先从理论上讲，LHC的能量标度远远低于量子引力的最低标度，就像厨房里的炉火不能使水中的氢原子发生核聚变一样，LHC也不能产生黑洞。其次，进入大气层的宇宙射线有很多与LHC中粒子的能量相当，如果真的能制造出黑洞，地球早就消失了。再退一步讲，即使LHC真的造出了微型黑洞，根据量子理论，这个黑洞会在高温中瞬间蒸发，什么都来不及吞噬就已经无影无踪了。人造黑洞食谱单一的模仿者虽然广义相对论中的黑洞不会出现在地球上，但科学家却提出了另一种人造黑洞的可能：用非引力理论来模拟黑洞的性质。例如，据报道，在2009年早些时候，以色列的一组物理学家制造了一个能够将附近的任何声子都吞入口中的声学黑洞（庄桑关于声学黑洞的文章请看这里）我们日常生活当中听到的声音，其实是一种在空气中传播着的机械振动，在凝聚态物理学中，按照一定空间对称性排列的原子都会不断地参与传播这样的振动，人们形象的把这样的原子集体舞蹈看做一种准粒子，称作声子所谓声学黑洞，是铷原子冷却在极低的温度下形成一种量子流体，而此时便有声子在这量子流体之上被激发出来。在某一个区域内，量子流体的流动速度超过声子传播的速度，声子一旦进入这个区域，便再也无法传播出去。于是，在这个区域之外的人看来，从这个区域之中不能传出任何声音，因此声学黑洞又可以被称为哑洞。尽管声学黑洞能够将胆敢闯入的声子悉数拿下，但它和真正的黑洞有着本质上的不同。声学黑洞不产生强大的引力场，除了声子之外，对其他粒子没什么兴趣，也就是说食谱很单一。对于以光速运动着的光，声学黑洞更加无能为力，因此它长的并不黑。要想更加逼真的模拟广义相对论中的黑洞，还得从宇宙中最快的信使光入手。我们知道光是一种特定波长范围内的电磁波。就像某些传播着的机械振动可以被称作声子一样，光就是在电磁场中以光速传播着的电磁振动。光可以在不同的介质中传播，但由于在不同介质对电磁场变化的敏感度不同，导致在光在其中的传播的速度差异，例如，水中的光速大约是真空中光速的3/4，而钻石中的光速只有真空的41%左右。这进一步导致了生活中最常见的折射现象：就好像汽车当中齐头并进的两个前轮，如果其中一个轮子驶入沙地突然被减速，而另一个轮子保持速度不变，那么汽车就会情不自禁的转向沙地的方向；同样，一组齐头并进的光波的波阵面，在以一定角度从一种介质（例如空气）向另一种介质（例如水）中传播时，也会由于光速突然变化（降低）而改变传播的方向。超材料、隐身斗篷和光学黑洞同样在2009年年初，来自美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的两位物理学家纳瑞马诺夫（Narimanov）和基尔迪谢维（Kildishev）撰文提出，如果能为光波量身定做一种介质，使得光波一旦进入之后，就会像光波在黑洞附近那样不断地转向，最终无法逃脱，那么我们就可能实现第一个真正黑的光学黑洞。从理论上来讲，要实现这样的过程并不困难。设想能够制造出这样一种带核的同心圆结构的柱状光学介质，使得在核外的部分，介电常数的大小并不是处处相等，而是像引力一样随着半径的增加而平方反比的衰减。那么在水平方向上，从任何方向射入的光波，都会随着介电常数的变化而乖乖的折射。每前进一段距离就发生一次折射，光波就像沿着黑洞附近的那组螺旋线一样，最终到达核心区域，被核心部分的材料吸收，再也无法逃脱出来。于是，广义相对论中的黑洞的性质就可以利用电磁学的原理初步实现，而实现这一步跨越的关键，在于寻找拥有满足平方反比定律的介电常数的特殊材料。图3具有负折射率的超材料左手材料在自然界中，人类无法按照自己的意愿获得所有的材料，而往往需要利用科技手段对材料进行加工。例如，近几年流行的纳米材料就是在石墨等自然材料基础上，通过特殊条件下进行的加工，使原子与原子之间结合形成自然界中没有的特殊结构，从而在熔点、磁性、光学、导热、导电特性等方面获得原材料没有的特性。纳米材料成为科学家的掌上明珠的同时，另一群科学家却反其道而行之，他们并没有将材料的加工深入到纳米级别，而是将原材料制作成为比原子尺度大的多的众多单元，通过使单元与单元之间排列形成的特殊结构，来得到在介电常数，磁导率，折射率等方面原材料并没有的特性，被称作超材料（metamaterial），或超颖材料。超材料同以往的人造材料相比，其特殊之处在于，它的新特性更多的来自于宏观的结构，而不是微观单元的内在属性。这就好像一台由晶体管等电子器件组成的计算机，虽然任何一个晶体管在合适的条件下只会机械的放大输入端的电流，但整台计算机却拥有了它的每一单元都无法实现的强大计算能力。因此，虽然自然界中并不存在拥有负的介电常数，负的磁导率，负的折射率等奇异性质的材料，但科学家通过对超材料的研发，已经一步一步的把它们都实现了出来。例如，2006年到2009年之间关于隐身斗篷的一系列突破（Fujia关于隐身衣的文章请看这里和这里），就是利用了一种特殊的超材料。这种超材料使得在一个二维平面中传播的电磁波遇到障碍物时不被反射，而是绕过去继续传播。由于障碍物没有反射电磁波，看上去似乎不存在，于是起到了像电影《哈利波特》中的隐身效果。图4隐身衣原理示意图图5Duke大学研制的隐身衣图6我们期待三维的隐身衣微波黑洞光学黑洞的第一步有了超材料的帮助，制造光学黑洞的理论和技术的条件就完全成熟了。2009年10月，东南大学的两位科学家崔铁军和程强，利用曾被用来实现隐身斗篷的超材料制造了人类历史上第一个光学黑洞微波黑洞。微波是一种波长在几毫米到几分米之间的电磁波。经过数值模拟计算和实验分析，这个微波黑洞能够将绝大部分入射的微波吸入其中，微波的频率越高，被吸入的比例就越大。这个装置对低频率的微波网开一面的原因是，光学黑洞原理中的物理学计算采取了一些必要的近似，而这些近似要求电磁波具有很高的频率。太阳辐射的能量主要集中在可见光和红外线波段，这些辐射的频率都比微波高的多。因此从某种意义上来说，微波黑洞的实现，为更高效的开发和利用太阳能提出了新的思路。图7微波黑洞的前身同理论上实现光学黑洞的构想一样，微波黑洞的结构主要分为两部分，一个是由40层工型结构（I-shaped structure）所组成的同心圆外壳，半径为108到36毫米；一个是由20层ELC（electric-field-coupled）共振器所组成的同心圆内核，半径从36毫米起依次递减。微波黑洞上下共三层，总高度仅5.4毫米，装在一块0.8毫米厚刻有60圈凹槽的聚苯乙烯泡沫底座上。工型结构的外壳是一种超材料，它每一个单元的形状像汉字的工字。当其几何尺寸从0.2毫米到1.4毫米逐渐增加时，工型结构表现出来的介电常数也随之增大了十几倍。因此，为了让外壳的介电常数满足平方反比定律，每一层工型结构的尺寸，也必须随着半径的不同而进行精确的调整。同时微波黑洞的层数也非常有讲究。由于工型结构的介电常数是逐层变化的，因此每一层不能太厚，要求大约在微波波长的十分之一左右。这样的同心圆外壳介电常数的平方反比变化才显得平滑，微波才会乖乖的钻入微波黑洞之内。而对于波长在万分之一毫米量级的可见光来说，这样的变化远远不够精细。这个用于囚禁微波的牢笼，在个头矮小的可见光看来过于庞大，因此我们用普通相机拍到的微波黑洞并不是漆黑的一团。如果要制造用以吸收可见光和红外线的光学黑洞，就必须将器件的尺寸控制在万分之一毫米以下。这个尺寸略高于纳米材料的量级，同目前计算机中央处理器上的电子元件尺寸较为接近。因此，尽管光学黑洞给超材料的制备上提出了一些技术难题，但在实验室中实现也并非不可能。一种能将入射电磁波能量全部转化为热能的超材料，同文章中提到的ELC共振器的形状略有不同。太阳能利用的新思路工型结构的外壳将微波折射入内核后，最终由20层ELC共振装置吸收，并转化为热能。如果相同思路的光学黑洞能够研制成功的话，有可能为太阳能产业带来新的思路。首先，市场上太阳能电池的平均效率只有10%-15%左右，也就是说照射在电池上的太阳光的能量只有十分之一左右能够被转化为电能，而其它大部分能量都变成了无用的热能。解决这个问题可以通过技术革新提高发电效率；同时也可以利用光学黑洞，让更多的阳光射向太阳能电池，增加它同太阳光的有效接触面积。其次，太阳能电池由于长期暴露在户外，经常面临各种严酷的环境，容易脱落、被腐蚀、被氧化造成电池失效。因此其平均使用寿命并不长。生产厂家给出的估计是20年左右，据业内人士预计，实际使用寿命的数字可能更加保守。如果能够将现在圆盘式的黑洞加以改进，研制出能够适应多种光照条件和气候条件的光学黑洞外壳，就可以把太阳能电池的发电部分从室外搬到室内，从而大大提高其使用寿命，增加其经济价值。同时，发电装置的集中，意味着产生的无用热能也更加集中，人类将太阳能转化为电能的同时，也可以更有效地利用剩余的热能。以上仅仅是我们对于光学黑洞应用的一个初步设想。要想把设想变为现实，从技术上还有很长的一段路要走。例如，设想中的光学黑洞要求其单元在纳米的量级上形成一定结构，从而影响可见光或红外线的传播路径，目前最直接的实现方法是利用光学薄膜技术。首先从原理上讲，绝大多数光学薄膜的折射率在1~3之间，很难找到拥有像工型结构那样，折射率能够在很大范围内连续变化的光学材料。其次，目前的镀膜工艺存在一定误差，并不能像微波黑洞那样精确地控制每一层的厚度，这就会大大增加研制光学黑洞的难度。还有一个关键的问题在于，目前的微波黑洞只限定在一个二维的平面之中，想要将它应用到三维的情况，必须要先从理论上论证其实现的可能性。即使经过了理论的论证，三维的光学黑洞也将面临一个严峻的挑战：目前的超材料都只适合应用于二维的表面，应用于三维空间的超材料仍然是一个未解的难题。因此，一些科研人员表示，将微波黑洞应用于太阳能领域的说法目前看来可能过于乐观。从1915年广义相对论的引力黑洞，到2009年超材料的微波黑洞，短短不到100年的时间里人类的科技水平产生了数次飞越，无数在以前看来不可能实现的技术变成了可能。这些科学技术的成果大大改变了人类的生活方式，同时也带来了一系列全球性的危机。我们期待人类对待光学黑洞等超材料时，能够本着一颗谦卑平和的心，有规划的合理的应用它们，让我们的生活和地球一起变得更加美好！扩展阅读： 1. 超颖材料 2. First invisibility cloak appears 3. 超材料（metamaterials）：超越天然材料的自然极限（1） 4. An electromagnetic black hole made of metamaterials 5. 中国科学家制人造黑洞引发争议 6. What is metamaterial ps:华东师范大学的韩见同学对本文亦有贡献文字编辑：拇姬; 个人分类: 物理|1817 次阅读|3 个评论

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