朱睿：風景這邊獨好

□ 武光磊

“超材料”是21世紀以來出現的一類新材料，其具備天然材料所不具備的特殊性質，而且這些性質主要來自特殊的人工微結構。廣義來說，超材料主要包括“左手材料”、光子晶體和超磁性材料等。超材料以其特殊的微結構可能成為發掘材料新功能、引領產業新方向、突破稀缺資源瓶頸等的有力手段，從而成為各國競爭的焦點。正如德國卡爾斯魯厄理工學院馬丁·魏格納教授所說：“‘超材料’這一概念已經慢慢滲入多個領域。這一技術最初在電磁學領域引起轟動，接著長驅直入，進入包括熱力學在內的多個領域，最近又開始在力學領域掀起狂瀾。”

北京理工大學宇航學院力學系教授朱睿把超材料作為主攻對象，已在該領域奮戰10年有余。十幾年的探索，朱睿在超材料的研究中取得了開創性的成就。而他并沒有止步，仍在力學超材料領域不斷探索。

讓“隱身斗篷”成為現實

在喬安妮·凱瑟琳·羅琳所著的《哈利波特》系列小說中，有一件神奇的道具“隱身斗篷”，它常被哈利拿來干一些諸如從霍格沃茨魔法學校里偷跑出來的事。這被“哈迷”們羨慕不已。然而，不止在科幻小說中存在“隱身斗篷”，現實中科學家們也一直在研究它。美國普渡大學的科研人員就以愛因斯坦的廣義相對論為理論基礎，用納米技術與材料對“隱身斗篷”進行了研制。但是，以此研制出來的“隱身斗篷”或多或少都存在技術“短板”，使“隱身斗篷”未能完全現身現實生活。一直研究超材料的朱睿向記者說到，截至目前，科學家在“隱身斗篷”研制上取得的最大成果是美國伯克利大學的一個研究小組在2015年制作的一片“金羊毛”。但要真正對彈性波實現諸如“隱身斗篷”般的新奇操控，還要尋找性能更優越的材料。

21世紀，能夠改變任何形式波的傳播路徑的超材料橫空出世，這為完全實現“隱身斗篷”提供了可能。超材料最初用于調制電磁波。由于其具有負有效參數特性（如負磁導率、負介電常數等），超材料可表現一些新奇現象，如負折射率、反常多普勒效應、左手現象等。由于電磁波在光子晶體中傳播與彈性波（如聲波）在聲子晶體中傳播有相似之處，因而彈性波超材料在聲學等領域受到極大關注。

朱睿

朱睿就一直致力于聲學與彈性波超材料的設計，并把相關研究擴展到結構健康監測與振動、噪聲控制等方面。2008年，朱睿從北京理工大學固體力學專業碩士畢業后，進入美國阿肯色大學小石城分校機械工程專業攻讀博士學位，之后留在美國工作，直到2017年被引進回國。在美國近10年的歲月里，朱睿在彈性波超材料控制領域進行了大量的研究工作。博士及博士后期間，他就設計并制備了由單一金屬材料構成的具有等效負密度與負彈性模量的超材料，這首次從實驗上實現了彈性波在亞波長超材料中的負折射，從而掌握了復雜彈性波控制的關鍵技術。該技術成為了開啟彈性波超分辨率透鏡和彈性波“隱身斗篷”大門的關鍵鑰匙。朱睿把研究成果發表在期刊Nature Communications上，被多家國際知名科技網站如ScienceDaily報道。

一個多世紀以來，科學家一直滿懷熱情地探索如何用材料來操控波。朱睿深迷其中。回國后的朱睿繼續展開彈性波超材料的研究。在最近的研究工作中，朱睿成功設計了能夠突破分辨率極限的彈性波Hyperlens。這對航空、車輛及橋梁建筑的無損檢測和健康監測的發展具有深遠意義。朱睿說，相關的設計與仿真論文已經被國際聲學頂級雜志JASA接收，現在他們正在展開實驗方面的突破性研究。

心有多大，舞臺就有多寬廣。在彈性波超材料的成就之下，朱睿又積極向振動與噪聲控制、結構健康監測領域拓展。在振動與噪聲控制領域，朱睿成功地設計了輕質、高強度的超材料蜂窩梁，從而為工程結構在低頻段的隔振與抗噪設計提供了新思路。這推進了彈性波超材料在航空航天領域方面的實際應用。在此基礎上，朱睿又在微結構設計中引入了可由外部電路控制的壓電材料，并實驗展示了超材料帶隙結構的主動可控性，成功地將電子與數字控制引入到彈性波超材料中，克服了超材料固有的窄帶局限，有效地拓展了超材料的工程適應性與應用前景。

在結構健康監測領域，朱睿研究了頻率—波矢域里的時間反演鏡法及相控陣成像技術，這些成果極大地提高了航空航天結構的探傷和成像速度，并為實時對飛行器進行結構健康監測提供了理論與算法支持。該研究成果已經發表在結構健康監測領域頂級的雜志Smart Materials and Structures上。此外，他還在不破壞現有工程結構的基礎上引入超材料，從而實現了彈性波平板聚焦。該項創新技術極大地提高了結構健康監測中關鍵的信噪比，并已成為結合超材料和結構健康監測的前沿課題。

超材料全球市場規模在2010—2020年間將以高達41%的年復合增長率發展。隨著全球“工業4.0”進程持續深化，“智能+”應用領域不斷擴大；高速列車、新型地面行進裝備、航空航天、國防科技、地面智能機器人等領域千億規模的超材料產業集群也正在崛起。在國外掌握了超材料核心研發技術的朱睿把這些“財富”帶回了祖國，用于祖國超材料的研究。現在，他在北京理工大學進行的研究，在國際超材料領域也是處于并跑甚至領跑的位置。而對他來說，能不能把自己研究的超材料用起來，這才是他最關心的，他也將為實現超材料的應用傾注更多努力。

對未來規劃的書寫

在美國工作期間，朱睿作為核心高級研究人員參與并完成了包括美國空軍（AFSOR）、美國國家能源部（DOE）、美國國家航空航天局（NASA）、美國國家科學基金會（NSF）等多項國家級項目的研發。可以說，美國彈性波超材料研究地位的建立，朱睿所貢獻的力量不可忽視。而他卻在2017年回到了北京理工大學。對于回國的原因，他說到，祖國好像地球一般存在引力，無論你走多遠，最終都會被吸引回來。

回到北京理工大學的朱睿順利、有序地展開了科研工作。在采訪中，朱睿說，他非常感謝北京理工大學對他工作的支持。“學校把科研工作所需的一切都給我安排妥當，讓我無所顧慮，只需專注于研究。”

在學校全力的支持下，朱睿在如期展開目前研究工作的同時，也對未來的工作進行了規劃。在積極響應國家“十三五”大力發展高端材料及加快大飛機研制的國家戰略下，朱睿希望利用在美國多所頂尖高校主導與參與超材料及航空結構健康監測中積累的科研經驗與掌握的核心技術，積極開拓新的研究領域。

一直關注著國際上超材料以及航空結構健康監測領域的科研前沿，且在掌握了彈性波超材料及蘭姆波損傷成像這兩大核心技術下，朱睿還希望能以北京理工大學宇航學院為平臺在5年內建立一個集最新聲波/彈性波超材料研究與先進航空結構監測應用于一體的創新實驗室。新型功能性聲波/彈性波超材料的研究、高性能超材料波控器件的開發、高靈敏度高速高精度結構健康監測系統的研發，是他圍繞國家在關鍵材料以及航空航天等重要領域的需求準備展開的3個研究方向；同時，他還要建設一支既能腳踏實地、有效服務于國家發展戰略，又具有廣闊國際視野的研究團隊。“希望在我與團隊的努力下，能夠開發輕質、高強度的新型功能性超材料、可調帶寬的超分辨率聲波/彈性波透鏡及新一代高靈敏度高速高精度航空結構健康監測系統與自適應超材料，并把這些研究成果應用于航空、車輛、建筑等行業，為國家、社會服務。”朱睿說道。

世上無難事，只怕有心人。在攀登科研的途中，保持好奇心、專注力，具備恒心與耐心，一直是朱睿戰勝困難的“法寶”。這兩件“法寶”也讓他在困難中頻頻制勝。現在，在超材料領域突圍沖刺，對他來說，沒有倦怠與困惑，有的只是風景這邊獨好。