魔法世界的隐身衣

4 魔法世界的隐身衣

哈利·波特那件神奇的隐身斗篷，我们也可以拥有啦！不过隐身不代表真的消失，而是让人看不到了而已！

“欺骗”眼睛的“小把戏”

小朋友们，还记得哈利·波特那件神奇的隐身斗篷吗？穿上它，哈利就像突然消失了一样，可以自由地穿行在城堡中却不会被任何人发现，简直太酷了！穿上隐身斗篷为什么能隐身呢？那是因为它有神奇的魔法呀！但是，魔法只存在于奇幻小说里，现实生活中是不存在的。那可怎么办呢？别灰心，用神奇的材料和科技，我们一样可以做出和魔法世界一样的“隐身衣”。

要了解隐身，首先要知道我们的眼睛是怎么看见物体的。

当光照射到物体上时，光会向各个方向发生散射，形成散射光，这些散射光进入人的眼睛后，会在视网膜上成像，我们就能看见物体啦！也就是说，眼睛是通过接收物体的散射光来看见物体的。如果照射到物体表面的光不发生散射，或者散射的光不进入我们的眼睛，那我们就看不见这个物体，这个物体就“隐身”了。发现了吗？其实隐身就是一种“欺骗”眼睛的“小把戏”，接收不到来自物体的散射光，眼睛就以为这个物体不在那里，眼睛就被“骗”啦。

其实，用四面镜子就可以制作一件简单的隐身衣。如果我们想让图中矮个子的弟弟隐身，只需要在弟弟的前面按照固定的角度放置四面镜子，这样站在弟弟后面的哥哥的映像就会通过镜子的反射，绕过弟弟进入观察者的眼睛，这时我们在特定的角度，就能看见弟弟下方一半的身体“隐身”，取而代之的是哥哥身体的映像，是不是很有趣？

上面所描述的隐身现象，只是对于人眼的隐身。而在现代军事活动和战争中，战场上的“眼睛”完全不同而且更加灵敏，比如雷达探测器、红外探测器、声波探测器、激光探测器等。想要让我们的飞机、导弹、潜艇在这些“眼睛”前面实现隐身，就必须依靠一些特殊的隐身材料，这些隐身材料远比“四面镜子”要复杂得多。

让电磁波有去无回

雷达是目前世界各国广泛采用的一种定位装置，是战场上一双明亮的“眼睛”。雷达是利用无线电波来探测物体位置的设备。我们知道，光和无线电波都是电磁波，但是光的波长和无线电波的波长并不相同，雷达使用的无线电波的波长范围通常在1毫米至10米之间，远远大于可见光的波长，所以我们是看不见雷达发射的无线电波的。当雷达探测时，它需要首先向空间发射无线电波，无线电波遇到被探测物体时会被反射回来，再被雷达探测器接收。这样就可以计算出被探测物体的距离、速度、方位、高度等信息了。

怎么在雷达的探测下实现隐身呢？聪明的小朋友可能已经想到了，那就是让雷达发射的电磁波“有去无回”。物体可以将雷达发射的电磁波全部吸收掉，使雷达接收不到反射回来的雷达波，此时雷达就会认为空间中没有物体，也就实现了“雷达隐身”。

吸波隐身材料就可以实现雷达波的吸收。

吸波隐身材料的吸波原理其实非常简单，与我们平常使用的家用微波炉给食物加热的原理十分相似。微波炉之所以能够加热食物，主要是由于微波炉释放的微波（微波是波长较短的那一波段的无线电波）照射食物后，食物内的水分子会将微波吸收，水分子会振荡并相互摩擦，在这个过程中，微波的能量转变成了水分子振荡的能量，从而将微波的能量耗散掉。这时，水分子的共振强度越大，宏观上食物所表现的温度也就越高。

同理，当雷达发射的无线电波照射在吸波隐身材料上时，吸波隐身材料分子内的电子会吸收无线电波并产生振动。电子在振动过程中不断与分子链发生碰撞摩擦，最终将无线电波的能量全部转化为热量。无线电波由于被完全吸收和损耗，也就无法再反射回去，这样就实现了雷达隐身。

因此，吸波隐身材料的电磁波损耗能力决定了它的隐身性能。目前应用最早、最为成熟的吸波隐身材料是铁氧体。铁氧体吸波隐身材料是以氧化铁或其他稀土氧化物为主要成分的复合氧化物，实际应用时，铁氧体与其他合金材料按一定比例混合成为涂料，涂覆于飞行器上就可以实现飞行器的雷达隐身。铁氧体吸波隐身材料已经在美国空军U-2间谍飞机、SR-71高空高速侦察机、F-117A隐身攻击机和B-2隐身飞机上得到了成功应用。

“工业黄金”也能隐身

激光雷达是通过发射和接收激光来探测物体位置的装置，与普通雷达相比，激光雷达的探测精度更高。为了躲避激光雷达的探测，实现“激光隐身”，采用激光吸波材料是一项有效的策略。在这方面，性能优异的稀土元素就要登场了。

稀土元素是元素周期表中17种化学元素的总称，包括15种镧系元素，以及21号钪元素（Sc）和39号钇元素（Y）。稀土元素被发现的时候，人们认为它们十分稀有，因此称之为稀土元素。后来，人们发现稀土元素的储量并不小，例如69号铥元素（Tm）和71号镥元素（Lu），在地壳中的平均丰度达到黄金的近200倍。但是稀土元素的分布却十分分散，开采难度也很大。我国是世界上稀土资源最丰富的国家之一，我国的稀土提取分离技术也处于世界领先水平，是唯一能够生产供应17种稀土元素产品的国家。稀土元素被誉为“工业黄金”，具有十分独特的光、电、磁性质，特别是与其他物质相互作用可极大地提高材料原有的性能，是军事、航空航天、电子等领域不可或缺的部分，因此，稀土元素是具有战略意义的重要资源。

稀土元素如何实现激光隐身？这就要从它的电子结构说起了。

稀土元素都具有多层电子，因此，核外电子可以在不同的轨道能级之间发生跃迁。当一束光照射到稀土元素上时，光的波长所对应的能量若正好等于某两个能级之间的能量差，稀土元素的电子就可以吸收这束光，并成功地从低能级跃迁到高能级，稀土材料就表现出对这种波长的光有吸收作用。由于稀土元素具有丰富的电子轨道能级，因此就可以吸收多种波长的光。

而不同种类的稀土元素，其吸收光的波长范围也不尽相同。例如，+2价钐离子（Sm²⁺）在可见光区有吸收带，而+2价铕离子（Eu²⁺）和+2价镱离子（Yb²⁺）则在紫外线区有吸收带。1.06μm是激光雷达常用的波长，若稀土元素在1.06μm有强吸收能力，则可实现激光隐身。稀土元素中钐、钇、镝（Dy）、铈（Ce）、镧（La）等都在1.06μm波段具有吸收作用，是制造激光隐身材料的优质候选元素哟！(https://www.daowen.com)

同时，由于稀土元素具有丰富的电子轨道能级，因此有些能级之间所对应的能量恰好对应红外线的能量，也就是说，稀土元素还可以实现“红外隐身”，从而让稀土材料实现了激光和红外的兼容隐身。

让黑夜的眼睛看不到

夜晚常常“伸手不见五指”。夜晚之所以是黑暗的，是因为随着太阳落下，物体无法反射可见光，所以人眼也接收不到任何光线，故而看到的世界是黑色的。

但是任何物体都有温度，有温度的物体就会不断地向外发射红外线，并且红外辐射的强度与物体表面温度的四次方成正比，也就是说物体温度越高，向外辐射的红外线强度就越大。人们利用物体发射红外线的特性，发明了一种“看得见”红外线的成像设备——红外探测器，让人们拥有了一双“黑暗中的眼睛”。

由于所有物体都是天然的红外线发射体，所以红外探测器不需要像雷达和激光探测一样主动地发射电磁波，就可以呈现出夜晚的景象。这就让所有物体在红外线波段暴露无遗。那么，如何隐藏我们自身辐射出的红外线，从而在红外探测器上实现隐身呢？

一个直接的办法，就是通过一些特殊的材料来降低物体表面的温度，例如我们在《科技中的化学》一册中提到过的气凝胶材料，它有优异的隔热性能，把它铺覆在装备的表面，就能把热量阻隔在内部，装备就在红外探测器中消失了。但是，气凝胶只能隔热，却并不吸热，所以当装备内部温度快速上升时，很多仪器设备可能会因为高温而损坏。在这种情况下，就需要使用具有吸热功能的材料。

相变材料就是一种神奇的吸热材料，当温度达到相变点时，材料就会发生相变，从而吸收大量能量。

同学们都知道，冰是固态，水是液态，水和冰其实是水这种物质的不同相态。冰会吸收热量，在0℃时融化为水，融化的过程就是相变，而在相变过程中，冰的温度是不发生变化的。所以，冰是一种0℃的相变材料。

而军事装备上常使用的相变材料为长链烷烃，例如正十四烷、正十八烷、石蜡等，它们的相变温度在几摄氏度到几十摄氏度之间，人类可根据不同的需要进行选择。如果我们将相变温度与环境温度相近的相变材料应用于武器装备，就可以使武器装备恒定在环境温度。同时，配合使用气凝胶材料，将所有武器散发的热量完全阻隔，红外探测器就探测不到武器的存在啦！

◎ 拓展阅读

军用民用融合的神奇保温杯

近几年，市场上流行着一种神奇的保温杯——相变保温杯，它就是利用相变材料来实现水的恒温的。当我们把开水倒入杯中的时候，杯壁的相变材料会立刻发生相变过程，吸收大量热量，使水温降低到相变点的温度。而当杯中的水逐渐变凉低于相变点时，相变材料又会发生逆向相变，从而释放热量来加热水，这样就可以使杯中水的温度长时间地恒定在相变点的温度，让我们随时都能够喝到温度最适宜的水。

相变保温杯只是高端军工材料转化为民用的一个小小的案例，随着我国大量高端军工技术逐渐实现民用化，相信一定还会有很多神奇的产品陆续走进我们的生活。

将“红外窗口”彻底锁死

红外线是指频率介于无线电波与可见光之间的电磁波，它的波长在760纳米至1毫米之间。气凝胶和相变材料的配合理论上可以实现武器装备在红外线全波段的隔离和隐身。

但是要实现武器装备的红外隐身真的要这么麻烦吗？是否真的需要对所有波段的红外线都实现隐身呢？

答案是并不需要。

其实，我们身处的大气层对红外线有天然的散射和吸收作用，大气层中的水分和二氧化碳会将大部分波段的红外线吸收，最终只有3—5μm和8—14μm两个波段的红外线保留下来，这就是“红外窗口”，所以只需要将“窗口”波段的红外线屏蔽掉，就可以实现红外隐身。

当一种材料内部的物理结构呈现周期性排列，那么就能将一定波长的光“困”在材料内部，使其无法逃出，这种材料被称为光子晶体，而被“困”住的光所对应的波长被称为“光子禁带”。

光子禁带的位置与构成光子晶体的颗粒大小以及光子晶体内部的周期性排列结构有关。如果在材料的制备过程中，通过人工设计和计算将“光子带隙”的范围恰好与“红外窗口”的波长范围重合，那么得到的光子晶体就具有完全的红外隐身功能。

光子晶体虽然性能优异，但是要想在军事领域实现成熟应用还有很长的路要走。例如，光子晶体的制备十分复杂，想要大规模、低成本、工业化地制备光子晶体涂料还需要科研工作者不断努力；同时，光子晶体的性能来源于其具有的周期性结构，那么如何保证周期性结构可以长时间存在，而不易被外界破坏？这才是光子晶体能否在未来真正应用于军事领域的关键。

隐身和侦察就像是军事技术和战场上的捉迷藏游戏，一方极力地想隐藏，另一方努力地在寻找。随着侦察技术的进步，未来隐身技术会向着多波段兼容隐身、全方位隐身、高效隐身的方向不断发展。此外，在民用领域，我们也期待隐身技术能走进人们的日常生活。比如，在手术台上给病人做手术的医生如果戴上隐形手套，医生的视线就不会被自己的手所遮挡，从而可以更好地完成手术。