文章来源：材料设计
随着电子信息时代的发展，电磁装置已广泛应用于通信、医疗、电气工程以及国防建设等多个领域。因此，设计新型电磁材料的需求显著增加。电磁超材料（EMMs）作为具有非凡物理特性的新型人工复合结构或复合材料，克服了传统天然材料的局限性，并具备特殊的电磁传输性能，能够对电磁波的频率、振幅和相位等基本物理特性进行调控。1968年，理论物理学家Veselago提出了超材料的概念，并利用麦克斯韦方程组，从理论上分析了具有负介电常数和负磁导率的材料（双负材料）的电磁特性，并引入了左手材料这一新颖概念，超材料设计技术从此取得了重大进展。具有光子/电磁带隙结构的电磁超材料，基于变换光学的各向异性介质，电磁超表面以及数字可编程超材料等相继被研发出来。研究表明，超材料的电磁特性能够提升天线及微波器件的性能，同时也使得创新吸波和透波材料的开发成为可能。3D打印是制造具有不同几何参数及相关性能的电磁超材料器件最有效的技术，但传统的3D打印电磁超材料器件可能缺乏制造灵活性以及对不同物理刺激（如电场和磁场）的环境适应性。4D打印则是一种理想的技术，适用于将结构设计与能对外部场环境做出自适应的智能材料相整合的方案，例如，打印出的部件可在电刺激下改变形状。鉴于电磁超材料领域的快速发展，本文中香港城市大学吕坚院士团队回顾了典型的电磁超材料器件、其设计理论以及基本原理，并介绍了各种电磁超材料的结构拓扑和制造技术，着重强调了将3D打印和4D打印相结合的可行性。此外，我们还重点阐述了电磁超材料的重要应用及其未来发展趋势，以及与功能性电磁超材料和增材制造相关的挑战。相关成果以「3D and 4D Printing of Electromagnetic Metamaterials」为题刊登在中国工程院院刊Engineering上。
图1. EMM由手工定制的单元单元组成，具有丰富的功能特性。3D打印可以提高EMM的结构多样性，并允许制备复杂（梯度结构和多材料）和智能EMM。R₁是隐藏球体的半径，R₂是整个隐藏区域的半径。图2. 一些常见的电磁材料包括：碳基材料、金属材料和MOFs、陶瓷材料和高分子材料。
图3. 多样的EMM结构。（a）2D EMM结构包括：圆形、V形、交叉表面贴片和嵌入式圆柱体。（b）3D EMM结构包括：双渔网、立体声、手性、双曲、金属介质层状、裂环谐振器（SRRs）、同轴、连接立方对称、金属团簇和简单立方结构。图4. 一些电磁超表面。（a，b）基于反射和折射广义定律的超表面。（a）等离子界面的单元格示意图，以展示反射和折射的广义定律。（b）产生光学涡旋的等离子界面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（c，d）拱形超表面地毯斗篷示意图和易弯曲单元格的电磁特性。（e）蘑菇状超表面的3D打印过程：从设计到施工。图5. 3D EMM的进展。（a）电阻油墨印刷吸收器几何形状。（b）EMM吸收器和制造样品的示意图。（c）单元电池和制造技术的示意图。（d）具有扭曲十字超材料结构的Al₂O₃/碳纳米管（CNT）/碳氧化硅复合材料的电磁波吸收机制示意图。（e）微型超材料吸收器，与3D打印的楼梯状耶路撒冷十字架一起使用。（f）3D EMM的单元单元图和样本。图6. 3D微/纳米EMM。（a）3D THz GRIN透镜。（b）制造的垂直SRR（VSRR）超材料的SEM图像和太赫兹时域光谱测量结果。（c）正在考虑的3D SCR超材料。（d）扭曲ω粒子的介电模板。尽管超材料的研究起步相对较晚，但其发展十分迅速，已成为探索新奇特性的一条很有前景的途径。在电磁学领域，超材料凭借其定制的材料特性以及在外加刺激下可调节的特性，展现出了卓越的可变性。这种可变性使得能够以非常规的方式对电磁波强度、相位以及频率进行调控。随着人工结构从宏观尺度发展到微观尺度，电磁超材料（EMMs）的应用范围已扩展至涵盖大多数电磁波波段。电磁超材料在结构和功能上的多样性使其具备了广泛且极具吸引力的应用，例如利用技术支持进行天线的3D打印、隐形斗篷、成像设备以及无线电能传输（WPT）系统。在理论不断完善的同时，成型工艺的进步也优化了电磁超材料的性能。高分辨率、跨尺度以及多材料结构的制造技术在电磁超材料的发展过程中备受关注，而能够实现智能材料结构和功能设计的3D/4D打印技术，将成为电磁超材料制造的核心技术。增材制造（AM）技术存在一些固有缺陷，例如表面粗糙度、内部孔隙率以及尺寸偏差等，而这些缺陷对电磁超材料性能的影响在很大程度上仍未得到充分探究。一般来说，较高的打印速度可能会导致成型质量变差以及结构孔隙率增加。不过，内部孔隙率有时能够增强电磁超材料的电磁性能，使其有可能具备更优异的表现。未来的研究应当探究各种增材制造工艺、宏观/微观缺陷以及电磁性能之间的关系。此外，整合后处理技术以提高电磁超材料的成型质量能够优化其电磁性能。值得注意的是，先进的4D打印技术与人工智能设计及优化相结合，为制造功能集成且具备智能响应的电磁超材料提供了一种很有前景的方法。原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.10.017
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