原创《朱睿：风景这边独好》
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“超材料”是21世纪以来出现的一类新材料,其具备天然材料所不具备的特殊性质,而且这些性质主要来自特殊的人工微结构.广义来说,超材料主要包括“左手材料”、光子晶体和超磁性材料等.超材料以其特殊的微结构可能成为发掘材料新功能、引领产业新方向、突破稀缺资源瓶颈等的有力手段,从而成为各国竞争的焦点.正如德国卡尔斯鲁厄理工学院马丁·魏格纳教授所说：“‘超材料’这一概念已经慢慢渗入多个领域.这一技术最初在电磁学领域引起轰动,接着长驱直入,进入包括热力学在内的多个领域,最近又开始在力学领域掀起狂澜.”
北京理工大学宇航学院力学系教授朱睿把超材料作为主攻对象,已在该领域奋战10年有余.十几年的探索,朱睿在超材料的研究中取得了开创性的成就.而他并没有止步,仍在力学超材料领域不断探索.
让“隐身斗篷”成为现实
在乔安妮·凯瑟琳·罗琳所著的《哈利波特》系列小说中,有一件神奇的道具“隐身斗篷”,它常被哈利拿来干一些诸如从霍格沃茨魔法学校里偷跑出来的事.这被“哈迷”们羡慕不已.然而,不止在科幻小说中存在“隐身斗篷”,现实中科学家们也一直在研究它.美国普渡大学的科研人员就以爱因斯坦的广义相对论为理论基础,用纳米技术与材料对“隐身斗篷”进行了研制.但是,以此研制出来的“隐身斗篷”或多或少都存在技术“短板” , 使“ 隐身斗篷”未能完全现身现实生活.一直研究超材料的朱睿向记者说到,截至目前,科学家在“隐身斗篷”研制上取得的最大成果是美国伯克利大学的一个研究小组在2015年制作的一片“金羊毛”.但要真正对弹性波实现诸如“隐身斗篷”般的新奇操控,还要寻找性能更优越的材料.
21世纪,能够改变任何形式波的传播路径的超材料横空出世,这为完全实现“隐身斗篷”提供了可能.超材料最初用于调制电磁波.由于其具有负有效参数特性（如负磁导率、负介电常数等）,超材料可表现一些新奇现象,如负折射率、反常多普勒效应、左手现象等.由于电磁波在光子晶体中传播与弹性波（如声波）在声子晶体中传播有相似之处,因而弹性波超材料在声学等领域受到极大关注.
朱睿就一直致力于声学与弹性波超材料的设计,并把相关研究扩展到结构健康监测与振动、噪声控制等方面.2008年,朱睿从北京理工大学固体力学专业硕士毕业后,进入美国阿肯色大学小石城分校机械工程专业攻读博士学位,之后留在美国工作,直到2017年被引进回国.在美国近10年的岁月里,朱睿在弹性波超材料控制领域进行了大量的研究工作.博士及博士后期间,他就设计并制备了由单一金属材料构成的具有等效负密度与负弹性模量的超材料,这首次从实验上实现了弹性波在亚波长超材料中的负折射,从而掌握了复杂弹性波控制的关键技术.该技术成为了开启弹性波超分辨率透镜和弹性波“隐身斗篷”大门的关键钥匙.朱睿把研究成果发表在期刊N a t u r eCommunications 上,被多家国际知名科技网站如ScienceDaily报道.
一个多世纪以来,科学家一直满怀热情地探索如何用材料来操控波.朱睿深迷其中.回国后的朱睿继续展开弹性波超材料的研究.在最近的研究工作中,朱睿成功设计了能够突破分辨率极限的弹性波Hyperlens.这对航空、车辆及桥梁建筑的无损检测和健康监测的发展具有深远意义.朱睿说,相关的设计与仿真论文已经被国际声学顶级杂志J A S A 接收,现在他们正在展开实验方面的突破性研究.
心有多大,舞台就有多宽广.在弹性波超材料的成就之下,朱睿又积极向振动与噪声控制、结构健康监测领域拓展.在振动与噪声控制领域,朱睿成功地设计了轻质、高强度的超材料蜂窝梁,从而为工程结构在低频段的隔振与抗噪设计提供了新思路.这推进了弹性波超材料在航空航天领域方面的实际应用.在此基础上,朱睿又在微结构设计中引入了可由外部电路控制的压电材料,并实验展示了超材料带隙结构的主动可控性,成功地将电子与数字控制引入到弹性波超材料中,克服了超材料固有的窄带局限,有效地拓展了超材料的工程适应性与应用前景.
在结构健康监测领域,朱睿研究了频率—波矢域里的时间反演镜法及相控阵成像技术,这些成果极大地提高了航空航天结构的探伤和成像速度,并为实时对飞行器进行结构健康监测提供了理论与算法支持.该研究成果已经发表在结构健康监测领域顶级的杂志S m a r tMaterials and Structures 上.此外,他还在不破坏现有工程结构的基础上引入超材料,从而实现了弹性波平板聚焦.该项创新技术极大地提高了结构健康监测中关键的信噪比,并已成为结合超材料和结构健康监测的前沿课题.
超材料全球市场规模在2 0 1 0 —2020年间将以高达41%的年复合增长率发展.随着全球“工业4.0”进程持续深化,“智能+”应用领域不断扩大；高速列车、新型地面行进装备、航空航天、国防科技、地面智能机器人等领域千亿规模的超材料产业集群也正在崛起.在国外掌握了超材料核心研发技术的朱睿把这些“财富”带回了祖国,用于祖国超材料的研究.现在,他在北京理工大学进行的研究,在国际超材料领域也是处于并跑甚至领跑的位置.而对他来说,能不能把自己研究的超材料用起来,这才是他最关心的,他也将为实现超材料的应用倾注更多努力.
对未来规划的书写
在美国工作期间, 朱睿作为核心高级研究人员参与并完成了包括美国空军（A F S O R）、美国国家能源部（ D O E ） 、美国国家航空航天局（N A S A）、美国国家科学基金会（N S F）等多项国家级项目的研发.可以说,美国弹性波超材料研究地位的建立,朱睿所贡献的力量不可忽视.而他却在2017年回到了北京理工大学.对于回国的原因,他说到,祖国好像地球一般存在引力,无论你走多远,最终都会被吸引回来.
回到北京理工大学的朱睿顺利、有序地展开了科研工作.在采访中,朱睿说,他非常感谢北京理工大学对他工作的支持.“学校把科研工作所需的一切都给我安排妥当,让我无所顾虑,只需专注于研究.”
在学校全力的支持下,朱睿在如期展开目前研究工作的同时,也对未来的工作进行了规划.在积极响应国家“十三五”大力发展高端材料及加快大飞机研制的国家战略下,朱睿希望利用在美国多所顶尖高校主导与参与超材料及航空结构健康监测中积累的科研经验与掌握的核心技术,积极开拓新的研究领域.
一直关注着国际上超材料以及航空结构健康监测领域的科研前沿,且在掌握了弹性波超材料及兰姆波损伤成像这两大核心技术下,朱睿还希望能以北京理工大学宇航学院为平台在5年内建立一个集最新声波/弹性波超材料研究与先进航空结构监测应用于一体的创新实验室.新型功能性声波/弹性波超材料的研究、高性能超材料波控器件的开发、高灵敏度高速高精度结构健康监测系统的研发,是他围绕国家在关键材料以及航空航天等重要领域的需求准备展开的3个研究方向；同时,他还要建设一支既能脚踏实地、有效服务于国家发展战略,又具有广阔国际视野的研究团队.“希望在我与团队的努力下,能够开发轻质、高强度的新型功能性超材料、可调带宽的超分辨率声波/弹性波透镜及新一代高灵敏度高速高精度航空结构健康监测系统与自适应超材料,并把这些研究成果应用于航空、车辆、建筑等行业,为国家、社会服务.”朱睿说道.
世上无难事,只怕有心人.在攀登科研的途中,保持好奇心、专注力,具备恒心与耐心,一直是朱睿战胜困难的“法宝”.这两件“法宝”也让他在困难中频频制胜.现在,在超材料领域突围冲刺,对他来说,没有倦怠与困惑,有的只是风景这边独好.科
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