什么是超材料？
所谓“超材料”(Metamaterial) ，是21 世纪以来出现的特种复合材料或结构，通过对材料关键物理尺寸上进行有序结构设计，使其获得常规材料不具备的超常物理性质。超材料涉及众多学科领域，如物理、化学、光电子学、材料科学、半导体科学以及装备制造等，是全球最前沿、最具有战略性意义的研究课题。被美国《科学》杂志列入本世纪前10年的10项重要科学进展之一，同时《Materials Today》杂志也称其为材料科学50年中的10项重要突破之一。
超材料突破了传统的材料设计思想，直接通过材料物理尺度上的有序结构的设计来获得等效的表观性能，而这些性能往往是传统材料望尘莫及的，如左手特性、逆Doppler效应、逆Snell效应、逆Cherenkov效应、完美透镜效应等。
超材料作为一种新型功能性材料，它的制造工艺及其复杂，主要包括印刷电路板工艺、光刻工艺、掩膜印刷法、电子束刻蚀工艺等。其中，光刻工艺是将光敏高分子制成一定图形的抗蚀性膜，再用化学或电化学方法进行腐蚀或电镀的加工工艺，目前已应用于单层及多层太赫兹(THz)频域(30m-3mm)超材料的制造。电子束工艺是利用极小波长的电子束在高加速电压下对基片上的抗蚀剂(PMMA、ZEP 等)进行曝光，在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域，然后用显影液进行溶解，得到所需的图案，再进行金属层或介质层的沉积。由于采用极小波长的电子束，这种工艺可以得到比标准光刻工艺更小的纳米尺度。超材料制造技术需要微纳米尺度上的光刻和蚀刻工艺，由此可见，超材料制造工艺更加类似于半导体，而与单纯的其它基础性材料或者普通复合材料大相径庭。
正是由于其基于精密的物理结构和尺寸大小，具备独特的功能价值和使用价值，超材料很可能会对新一代信息技术、国防工业、新能源技术、微细加工技术等领域可能产生的深远影响，因此发达国家的政府、学术界、产业界对超材料技术的研发给予高度重视，制定了相关计划，投入了大量人力和物力。目前，超材料被广泛应用于国防科技、工业、航空航天等领域，具备一定的战略价值。
超材料的诞生
1968年，前苏联理论物理学家菲斯拉格(Veselago)发现，介电常数和磁导率都为负值物质的电磁学性质，与常规材料不同，从而在理论上预测了上述“反常”现象。超材料的概念便源于此。
2001年，美国加州大学圣迭戈分校的史密斯教授等人在实验室制造出世界上第一个负折射率的超材料样品，并实验证明了负折射现象与负折射率。翌年，美国加州大学Itoh教授和加拿大多伦多大学Eleftheriades教授领导的研究组几乎同时提出一种基于周期性LC网络的实现超材料的新方法。
2002年底，麻省理工学院的孔金瓯教授也从理论上证明了“左手”材料存在的合理性，并称之为“导向介质”，他预言了这种人工材料在高指向性的天线、聚焦微波波束、“完美透镜”、电磁波隐身等方面的应用前景。2006年，史密斯教授及其在杜克大学的科研小组设计、制造了著名的“隐身大衣”，并成功地进行了实验证明。2009年该研究组的刘若鹏、季春霖等在《科学》杂志上发表宽频带的隐身衣，解决了超材料大规模和大带宽的设计，引发了业界的轰动，推动了超材料从科学向技术的转化。
应用前景无比广阔
近10年来，超材料研究之所以能引起全世界的高度关注，源自于超材料所体现的材料设计思想的重大创新，以及这一创新将产生的重大效益。首先，通过材料结构的创新设计，实现全新的物理现象，产生具有重大军用、民用价值的新技术、新材料，促进甚至引领新兴产业发展；然后利用超材料设计思想，提升传统材料性能，突破稀缺资源瓶颈，实现传统材料产业的技术升级和结构调整。
超材料设计思想应用于常规材料，可在显著提高材料综合性能的同时，大幅度减少稀缺元素用量，为提升传统材料产业提供了新的技术途径。例如，常规软磁与硬磁材料按特定的空间排布方式复合、普通碳钢与高硬度陶瓷或其他高硬度材料按特定的空间排布方式复合，可在不使用钕、铬、镍等稀缺金属的情况下，使磁性材料的磁能级成倍提高，而耐磨钢的耐磨性与强韧性矛盾得到很好解决。
尽管超材料的应用领域十分广泛，但目前全球超材料产业化较早的应用领域主要集中在军事。军事领域的应用中，又以武器装备的隐身领域应用最引人关注，且最为成熟。从F-22到歼-20，超材料隐身技术为武器装备带来的性能提升无疑是颠覆性的，且构成了极大的战场优势。
未来战场中，某超级大国空军有人及无人战机协同作战，这些战机装备了先进超材料隐身技术，使战机雷达反射面达到了恐怖的比 0.01平方米还要小一个或几个数量级的程度，进入对手领空如入无人之境，轻松摧毁敌防空阵地、指控中枢等重点军事目标，对手战机甚至没有升空作战就被击毁在地面。未来，掌握先进超材料技术的一方对战场态势洞若观火，而敌方将编程聋子瞎子，只有挨打的份儿。先进超材料技术可使武器装备获得压倒性的不对称战略优势，将成为改变未来战场态势的关键技术。
（我国先进隐身战机在航展现场进行了精彩的飞行表演，战机机翼、垂尾、进气道、雷达罩等白色部位即为隐身超材料结构）
此外，超材料除了已经应用于歼-20、F-22、F-35等常规先进战机外，未来还有望彻底颠覆飞行器的固有形态。据国外媒体报道，美国国家航空航天局和麻省理工学院合作研究出一种可变形机翼，这种所谓的“超材料”采用轻量级的晶格框架，能够根据空气动力自动改变形状，能够让飞机飞行更加节能。
（未来超材料“可变形机翼”）
市场规模空前巨大
自20世纪80年代以来，美国、欧盟以及日本等发达国家积极研发隐身超材料以提升作战能力，同时也带动了超材料在武器装备隐身领域中的应用产业化发展步伐以及市场规模的持续增长。
根据前瞻产业研究院测算，2017年，全球超材料在武器装备隐身技术中的应用规模在1.3亿美元左右。随着各国研发投入加大，预计到2025年，全球超材料在武器装备隐身技术中的应用规模将达到11.7亿美元左右。
在全球超材料市场，欧美等发达国家已经将超材料行业作为战略性行业来对待，不断加强对超材料行业的科研支持力度。美国多家著名半导体企业共同出资设立超材料研究基金，军方更是宣称要将超材料优先用于军事设备制造。日本政府也不断加大对超材料技术的财政支持，并将其列入隐形战斗机的核心关键技术。欧盟和上述国家类似，也是重金支持超材料行业的发展。在各个国家的大力支持下，全球的超材料行业迎来了快速发展时期。
2018年，全球超材料市场规模约为9.98亿美元，较2017年的8.38亿美元增长了19.10%。更有相关人士指出未来几年，全球的超材料复合增长率将超过20%。
中外发展现状
超材料优异的特性以及革命性的应用前景，吸引了美国、中国、欧洲、俄罗斯、日本等国家政府以及波音、雷神等机构的高度关注。超材料已成为全球最热门、最受瞩目的前沿技术之一，相关研究已涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。各国都在加大研发投入，力求占得先机。
美国
美国超材料研究起步最早，1972年美国最先申请了频率选择表面超材料技术专利。目前，美国拥有超材料专利的研究机构主要为麻省理工学院、惠普公司、加利福尼亚大学、康宁公司、SEARETE公司、雷锡恩公司等。
由于超材料技术在国防军事领域的重要性，美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一。包括波音、洛马及 BAE 系统公司等军工巨头在超材料研究中投入巨资，此外，美国国防部还专门启动了关于超材料的研究计划，美国最大的 6 家半导体公司英特尔、AMD 和IBM 等也成立了联合基金资助这方面的研究。据统计，美国军方共支持了超过 100 家企业及机构开展超材料应用研究，领域涵盖雷达导弹天线罩、通信天线、电磁波隐身、光波隐身、声波隐身技术等。目前，美国 F-35 隐身战斗机、B-2 战略轰炸机以及 DDG-1000 滨海战斗舰上都应用有超材料技术。
（采用超材料隐身的B-21）
正是因为美国对超材料隐身技术领域从政策到资金上全方位的支持，使得美国成为目前世界上超材料隐身技术研究与发展应用最大的国家。
日本
日本的超材料隐身技术仅次于美国，研究起步也较早，专利最早申请于1980年。日本超材料技术的发展，主要得益于日本在经济低迷之际出台的一项研究计划，支持了至少有两个关于超材料技术的研究项目，每个项目约为30亿日元。
目前，日本超材料专利主要集中于三菱公司、佳能公司、富士公司、日立公司、理光株式会社、奥林巴斯、住友电子、尼康公司、DOKURITS公司、索尼公司等。
韩国
韩国自1993年开始申请超材料技术专利，在2010年达到顶峰，韩国超材料专利申请趋势早期与中国相近，但是并未出现2011年的飞跃。此外，三星公司、LG电子拥有着绝大部分超材料专利。
欧洲
欧盟组织了50多位相关领域最顶尖的科学家聚焦超材料领域的研究，并给予高额的经费支持。目前，俄罗斯、英国、德国等在军事装备技术发展较为先进的地区在超材料隐身技术方面具有较大的发展。
中国
我国政府对超材料技术高度关注，分别在863计划、973计划、国家自然科学基金等科技计划中予以立项支持。在电磁黑洞、超材料隐身技术介质基超材料，以及声波负折射等基础研究方面，已取得原创性成果。
专利分布
目前，全球超材料技术专利主要集中于中国、美国、日本、韩国、英国、德国。其中，全球拥有超材料技术专利最多的国家是中国，共拥有4718件专利。其次为美国，拥有3210件超材料技术专利。此后是日本拥有3017件专利，以及韩国拥有1077件专利。
我国超材料技术研发较晚，但在国家大力支持以及各方的努力下，2011年专利数量实现了一次巨大的飞跃，令我国超材料的研究走在世界前列。截至2018年，我国超材料的相关专利技术申请超过3400件，其中光启一家就有了2900件，占比达到近90%。更厉害的是，光启在全球超材料领域申请的专利数量，已经超过了其它国家申请数量的总和。
我国超材料产业化实现自主可控
2010年，刘若鹏回国创业，立志要让超材料在中国落地生根。在光启的带领下，2011年开始我国超材料的专利申请量陡然暴增，迅速超越美国，并将差距逐渐扩大。据官方数据显示，截至2021年底，光启累计申请专利5891件、获得授权专利3743件，实现了超材料底层技术专利覆盖，在全球超材料领域专利申请仍然位居第一。同时，光启不仅建立了我国首个超材料技术国家重点实验室通过验收，并主导起草的全国首份超材料国家标准《电磁超材料术语》正式发布实施。
近年来，我国超材料产业化不断获得突破，结构件产品已经在我国海陆空各类型尖端装备中得到大规模应用。公司创立10多年时间，光启技术建立了超材料产业化的全链条，集“研发、设计、测试、批产"于一体，跨越了最艰难的从实验室前沿科学研究到工程化技术体系构建的鸿沟，打破了国际垄断，实现了我国超材料技术由“0”到“1”的历史性突破。作为被国外长期卡脖子的核心关键技术，光启技术进一步加强了国产替代化步伐，“对部分核心原材料及关键设备实施了国产替代，供应链逐步实现自主可控"。
近期，光启在刚刚结束的第十四届中国航展上，还首次发布了可以实现三维超材料工程化应用的第四代超材料技术，实现了由 2D 向 3D设计的重大技术突破和超材料制造工艺的升级改进。
（光启展出的第一代至第四代超材料结构）
有调研公司预测，超材料产业发展将呈现逐年递增态势，预计未来十年复合增长率有望超过20%；可以预计，随着全球“工业4.0”进程持续深化、“智能+”应用领域不断扩大，一个可带动诸如航空航天、国防科技等领域的千亿规模的超材料产业集群正在崛起。超材料作为装备产业链最上游，将受益于新型装备的加速列装，及超材料用量占比持续提升，超材料将持续高速增长。
作为制造业中知识密集、创新活跃、附加值高的关键领域，以超材料为代表的中国先进制造业近年来快速发展。在超材料技术的重要应用方向上，未来隐身装备将决定战场态势的塑造，隐身技术将具有前所未有的重要性。中国从以前隐身装备领域的追赶到现在同步发展，再到未来形成赶超。中国隐身技术，将成为美尖端装备最担心的强劲对手。