2021年4月17日21：30，由西安建筑科技大学力学技术研究院（IMT）开展的力学家访谈，在腾讯会议线上进行。本期访谈的嘉宾是密苏里大学哥伦比亚分校黄国良教授。
线上访谈掠影
力学家访谈源于对力学家的致敬，希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下：
问：黄老师，您以往的讲座中提及弹性超材料的建模、试验研究以及弹性超材料在动态响应控制中的应用。您方便分享超材料这一研究热点的前景和应用等方面内容么?
答：超材料从一方面可以定义为是一种利用人工结构作为功能单元构筑的新型材料，可以实现自然界无法获得的新性能。现在得到了世界各国的高度重视，比如被美国国防部列入六大颠覆性技术之一。超材料的重大科学价值和诸多利用领域呈现出革命性的应用前景，得到了各方的密切关注，比如美国国防部就启动了多项超材料的科研计划，美国大型半导体公司英特尔，超微半导体MADE和国际商业公司IDM都成立了联合资金用以支持这方面的研究。超材料的最早的应用是电子超材料。科学家对于电磁谐振进行了优化，发明出如各种的记忆金属线等材料，以及最著名的“隐身斗篷”和“完美透镜”。若将微纳米技术应用到超材料之中，可以发展各种的光学器件，随着电子超材料的应用，近年的超材料也从电子走向力学，声学，热学以及传热等领域。一系列的超常性质和异常奇异的功能相继问世，机械和声学超材料发展迅速，超材料在工程领域也有迫切的需求。比如，我们可以设计出超强响应的超强材料，超硬材料和可以调节刚度的超材料，反膨胀拉伸超材料和智能超流体。这些超强的力学性质有很多方面的应用，比如在工程领域的减震和降噪。最近我们课题组提出一种极化材料，就可以用以完美的机械波的减震或者抑型。在我看来，和常规的超材料融合在一起，就可以突破常规超材料的极限，开辟新的方向，比如常规材料及生物启发的材料。这些材料的性能主要取决于自然界，如原子结构，电子结构。随着材料科学的进步，我们可以加强对这些结构的控制，像利用超材料的相互关联，相互影响。可以人为设计材料的性能或者准确操控。在我看来超材料的前景和热点是以常规材料的融合，这是走向工业化应用的捷径。狭义的超材料是具有常规材料不具备的性能，具有很强的吸引力。如果真正形成一个产业需要时间，和传统的工业相结合，形成一种工业系统，可以迅速将超材料工程化或者工业化。
问：基于桁架的材料和超材料建模中使用的标准有效介质理论，您提出“微扭转弹性”，这种新的有效介质理论的独特之处体现在哪些方面?
答：我们在常规的有效介质理论中，将局部场均匀化得到有效性。我们提出微米的弹性是很有意思的概念。我看过相关文章，文章中呈现的力学行为，它属于弹性的机制，但由于机制零模态不均匀的发布造成一边软一边硬现象。在宏观的程度上，常规的有效介质无法解释这个现象，所以我们提出微扭转弹性来解释这种零模态机制。这种变形不会产生能量的材料称为机制超材料。在机制超材料的均匀化里面，目前还没有人可以提出均匀化的解释。我们的独到之处在于：我们的微机理论把这种机制等效成一种宏观的常规自由度，去把握这种机制的变化，使得能够第一次来解释力学的极化现象。
问：基于潜在技术应用的单向传播器件实现的可能性，黄老师您对波在声子晶体中传播进行研究，那么波在声子晶体中的传播与在普通介质中的传播有什么不同？是怎样实现“单向”这一特点的?
答：声子晶体和声学超结构进一步扩宽了自然界在声学材料的性质。对这种复合的人工周期结构一个波动，会呈现两种性质。由于这两种特性会使得材料具有某种奇异的色彩特征，这个用负有效参数来解释。因为负的有效参数的性能，会出现很多有趣的现象：如超透镜效应，异常透射效应等。这是声学晶体的传播和介质传播的不同之处。要去实现“单向”的特征，目前有两种方式可以实现，一是通过材料具有时间的反演，非线性的效应，另一种是打破空间效应。比如材料的拓扑的对称性，就可以使声波和弹性波的反向散射可以完全抑制住，实现单向的功能。例如，我们设计一个拓扑结构，可以打破时间的反演，不对称性。沿着波方向，由于时间的不对称性会产生各种的极化方向，波就沿着各种的极化方向抑制，来实现“单向”性能。由于波没有产生反射，所以可以应用在防震，调节多普勒效应、声波导的准值和定向的反射以及高分辨成像等以及最新的实现声波的“隐身”和弹性波“隐身”。
问：对于具有传感和驱动单元的可编程弹性超表面，可以实时调整和重新编程其波的控制功能，那么基于此，能否实现真正意义上的“降噪”与“隐身”?
答：可编程的超材料是今天报告的一个主题，我们常说的可编程超表面就是所有的被动的超材料。你设计了微结构，那么在实际应用中，如果环境变化和声噪源变化的时候，怎么用同样的材料去实时应用？这就需要用可编程材料去调整性能。还有一种需求，就是主动超材料或者超表面，怎么去实现？可以加入智能材料，因为智能材料里面有传感器，所以之间可以用程序来进行连接。这种可编程可以感知，也可以实现实时控制。这样可以控制他的不同的频率响应，实现不同的功能。在我们生活中应用，如生活的降噪耳机。现在的技术实现小面积的控制，下一步是如何做到大面积，如降噪的墙，是我们现在努力实现的方向。这种技术现在从理论来说是可行。真正应用要随技术电子元件的技术，制造技术的发展，最终实现真正意义上的“降噪”与“隐身”。
问：对于很多刚迈进科研道路的同学，有着很多的迷茫，您在这方面能给我们一些经验建议么?
答：我想给几个建议给刚刚迈入科研道路的同学。第一点：科研是一条艰难漫长的过程。这将成为你的职业，你需要有热情和喜欢，因为里面有很多的艰辛和困难，这就需要保持一个科研的初心和热情。第二:在刚开始做科研的时候，你要扎实自己基础知识，要把基础知识完全掌握，这样你才可以做出更好更高的研究。第三：做研究的同学，进入课题，需要花费很多事情。这时要跳出自己的“小圈子”，要多思考在你的研究领域，什么是最前沿成果。借鉴别人的成果来服务自己的研究问题，一定要多去思考，了解前沿科研动态，才能了解研究的意义，才能做到前沿水平。第四：现在的技术发展迅速，作为研究者会遇到很多没有学过的知识，保持初心，主动学习新知识，运用到你的研究领域之中。
采访人：魏杰
撰稿人：魏杰
校对：李权威
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