基于超构材料空间变换调控物质输运拉普拉斯场的研究

Metamaterial is a new academic hotspot emerging in this century. Owing to the ordered structure with functional units of artificial resonator, it can effectively control electromagnetic field and realize novel functions such as negative refraction. In recent years, the emergence of the design method for ordered structure based on spatial transformation, such as transformation optics, not only promotes new functions such as invisible cloak, but also extends the metamaterials from wave fields including electromagnetic field to other physical fields with Laplace forms, such as thermal field and electrostatic field. This project plans to apply the spatial transformation methods of metamaterials to design the ordered structure with functional units to control the mass transport with the form of Laplacian field. It will construct ordered structures with functional unit for mass transport based on the spatial transformation methods of transformation optics and scattering cancelation, analyze the features of two methods in ordered structure design and field controlling as well as the physical differences with those on wave fields, explore the law and mechanism for the synergy effect between ordered structure and functional unit affecting the mass transport, realize exotic transport feature for different particles (charged or uncharged) under different potential fields (chemical potential, electric potential, etc.), achieve novel functions of invisible cloak, concentrator, selective transport, etc; and develop a serial of metamaterials for typical mass transport problems including particle diffusion in solid and ion diffusion in solid-liquid mixture.

超构材料（Metamaterials）是本世纪新涌现的学术热点，以人工谐振单元为功能基元、通过合理序构可有效地调控电磁场等物理场，实现负折射等反常物理特性。近年来变换光学等基于空间变换的序构设计方法的出现，不但催生了隐身斗篷等全新功能，而且将超构材料由电磁场等波动场进一步拓展到热场、静电场等具有拉普拉斯方程形式的其他物理场。本项目计划将超构材料的空间变换方法用于设计功能基元序构调控具有拉普拉斯场形式的物质输运现象。采用变换光学与散射消除两种方法建立物质输运功能基元的空间序构，分析二者序构设计与场调控作用的特点、及其与波动场的物理差异，探究功能基元与序构协同关联效应对物质输运过程的影响规律与物理机制，实现不同物质粒子（带电/不带电）在不同势场（化学势、电势等）下的反常输送特性，获得隐身斗篷、凝集器、选择性输运等新颖功能，针对全固态粒子扩散、固液混合离子扩散等典型物质输运问题开发多种超构材料。

超构材料（Metamaterial）是本世纪新涌现的学术热点，以人工谐振单元为功能基元、通过合理序构可有效地调控电磁场等物理场，实现负折射等反常物理特性。近年来变换光学等基于空间变换的序构设计方法的出现，不但催生了隐身斗篷等全新功能，而且将超构材料由电磁场等波动场进一步拓展到热场、静电场等具有拉普拉斯方程形式的其他物理场。本项目把超材料的空间变换方法用于设计功能基元序构调控具有拉普拉斯场形式的物质输运现象，发展了全新的物质输运超材料，将超材料功能基元序构设计方法由传统的电磁场拓展到全新的物理领域，具有重要的科学意义。本项目围绕超材料调控物质的输运行为，系统推演了物质输运超材料的理论基础和设计方法；阐明了基于变换光学和散射相消理论的超材料设计方法在物质输运问题中的适用性；利用各向同性介质实现物质输运过程的等效各向异性参数，阐明了物质输运超材料实验可行性。针对固体或液体中带电或不带电粒子的输运行为，提出了一系列物质输运超材料的典型设计方案；基于变换光学和散射相消理论设计了物质扩散隐身斗篷、物质扩散凝集器和物质扩散旋转器等典型功能，推导出各种功能超材料所需的等效材料参数；发展了超薄氢原子扩散隐身斗篷、电子散射相消隐身斗篷以及多功能离子扩散超材料等多种全新的物质输运超材料，实现了隐身斗篷、凝集器、选择性传输等一系列新颖的物质输运功能。本项目研究成果不仅为超材料研究拓展了新的学科方向，而且还为传统材料设计提供了全新的设计思路，实现了传统材料的性能突破与功能创新。本项目在三年执行期内，在Adv Func Mater（4篇）、Adv Sci、Angew Chem Int Edit、Mater Horiz等领域权威期刊发表SCI论文16篇，包括第一标注13篇、第二/三标注3篇；申请国家发明专利2项，均已获得授权；获得教育部自然科学一等奖1项、中国硅酸盐学会青年科技奖1项；培养5名博士研究生、3名硕士研究生顺利毕业。本项目负责人参与组织筹办国际国内学术会议4次，并在学术会议作邀请报告12次。