超材料这个概念，对非专业人士来说或许有些抽象。但在科学与工程界，自20世纪90年代以来，它一直是发展极为迅速的研究热点。

从外观上看，超材料往往与普通材料无异；真正的差别隐藏在微观结构中。通过在极小尺度上精心设计几何形状和排列方式，可以让材料获得原本基材不具备的特殊机械或物理性质。

这些人工设计的材料可以做到极轻却很刚硬、高度可变形，或者特别擅长缓冲冲击、削弱振动。应用场景从鞋底、头盔等日常用品，一直到微电子器件。

微结构赋予材料“额外”性能

苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）力学与材料学教授 Dennis Kochmann 长期从事超材料研究。他指出：“真正令人着迷的是，通过特殊的微结构，可以赋予材料其本身并不具备的性能。”

Kochmann 及其合作者近期在两篇论文中提出了一类新型声子超材料——这是一种能够精确操控机械波（例如振动或声波信号）的材料。其中一篇发表在期刊《Physical Review X》上。

这种声子超材料有望用于从振动中收集能量，或者以纯机械方式处理信号，对无需电力驱动的传感器以及机械计算系统具有潜在价值。

薄如芯片的硅膜充当“波导”

通常，如果用锤子敲击一块金属板，产生的振动会像水波一样向四周呈圆形扩散。但如果在板上引入特定结构，就可以把波“拐弯”，沿着预先设定的路径传播——ETH 的研究团队正是利用了这一效应。

他们没有使用金属板，而是选用极薄的硅膜作为基底，再通过光刻和蚀刻技术在其上刻蚀出大量孔洞，形成特定的微结构图案。

数百万个渐变单元构成图案

这种图案由数百万个重复的方形单元组成。每个微小方块又被对角线分成四个更小的方块，在主方块中心则布置了一个四角星形结构。

与许多传统超材料不同，这些单元在整个图案中并非完全一致，而是逐渐变化：例如星形“臂”的长度会在空间上缓慢改变。

ETH 的研究人员利用定制的计算机模型自动生成这些图案，并模拟机械波撞击后如何在其中以“射线”形式传播。

负责模拟工作的 Charles Dorn（当时在 Kochmann 团队，现为华盛顿大学助理教授）解释说：“如果用传统方式直接模拟整个波场，计算量会非常庞大，因为设计空间巨大，包含数百万个自由度。”

像拼图一样模块化设计

Kochmann 介绍道：“我们的超材料设计是模块化的，有点像拼图。”不同的“拼图块”承担不同功能：有的可以让波束以直角转向，有的则能根据频率把波分流到不同方向。

通过巧妙组合这些功能模块，研究人员可以构造出复杂的波传播路径，例如让振动沿着类似数字“8”的轨迹循环。

在洁净室中于硅晶圆上精密制造

在设计完成后，团队在 ETH 苏黎世的 Binnig 和 Rohrer 纳米技术中心以及 IBM 的洁净室中，将这些结构高精度地制造出来。

他们以常规硅晶圆为起点，经过多道工艺步骤，将其加工成与模拟图案完全一致的硅膜。最终的结构包含数十万个微小单元，每个单元只有几微米大小，肉眼几乎难以分辨。

随后，研究人员对制备好的超材料膜进行实验测试。他们使用激光脉冲激发硅膜产生振动，并借助光学测量技术实时追踪振动在膜中的传播路径。

实验结果证实，机械波确实沿着预先设计的路径传播，而且在某些情况下可以维持较长时间而不被迅速衰减。

更重要的是，这些结构并非只在单一频率下有效。虽然设计目标频率为 750 千赫（每秒 75 万次振动），但实验表明，在约 250 至 800 千赫的频率范围内，结构仍能有效引导波传播。共同作者、现任巴黎理工学院助理教授的 Vignesh Kannan 表示：“我们没想到频率范围会这么宽，这是一个很大的惊喜。”

他补充说，由于硅本身阻尼很低，波可以在其中传播很长时间。这一点相较于基于聚合物、通过 3D 打印制备的结构有明显优势，后者会更快地耗散振动能量。

从振动中“采集”能量

这种新型硅膜在微纳电子学中具有潜在用途，例如更精确地控制芯片上的振动行为。声子超材料也非常适合用于无需外部电源的机械信号处理系统，比如部署在偏远地区、依靠环境振动工作的基础设施监测传感器。更长远来看，它们还有可能成为新型计算架构的一部分。

Kochmann 还设想将这类结构用于能量收集器：通过设计，将环境中的振动能量集中并导向压电能量转换器，从而把机械振动转化为可用的电能。

下一步，他和合作者计划进一步推进微缩极限，直到制造缺陷开始显著影响微观甚至纳米级结构的性能。

“我们也希望更深入理解背后的物理机制。目前还不完全清楚，为何这种设计在如此宽的频率范围内依然表现出如此强的鲁棒性。”Kochmann 表示。

对他而言，基础研究仍是首要任务，因为许多基本现象尚未被完全解释。他补充说，应用往往会在此基础上自然涌现：“这正是 ETH 的魅力所在：我们可以专注于探索基础问题，而不必立刻承受商业化的压力。”