减小流体与表面之间的粘滞力的系统和方法 |
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| 申请号 | CN200980149011.3 | 申请日 | 2009-11-18 | 公开(公告)号 | CN102239084B | 公开(公告)日 | 2014-03-26 |
| 申请人 | 波音公司; | 发明人 | C·G·帕拉佐利; M·H·塔尼连; R·B·格里高尔; | ||||
| 摘要 | 超材料在某些 频率 下具有足以在 流体 和应用超材料的表面之间产生排斥 力 的磁导率响应。超材料可以被纳米制造，以至超材料磁导率的绝对值充分地大于超材料的电容率的绝对值。超材料可在表面和相对于表面移动的流体之间产生排斥力，并且从而减小在表面上流体的粘性阻力。减小流体移动经过表面的粘性阻力的方法包括在表面和流体之间产生相对运动，并且在表面和流体之间产生排斥力。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于减小在表面上流体的粘性阻力的系统，包括： |
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| 说明书全文 | 减小流体与表面之间的粘滞力的系统和方法技术领域[0001] 一般而言，本公开涉及粘性阻力，更具体而言涉及被构造以减小流体表面之间的粘性阻力的超材料(metamaterials)。 背景技术[0002] 物体移动通过流体的低效率的主要贡献者是发生在物体边界层的摩擦阻力或者粘性阻力。摩擦阻力或者粘性阻力倾向于阻碍物体通过流体的移动或者流体在物体上的移动。例如，旋转机械诸如在流体中旋转的涡轮遭受物体边界层处的粘性阻力。在另一实例中，交通工具诸如通过空气移动的航空器遭受交通工具/空气界面的边界层处的摩擦阻力或者粘性阻力，所述阻力倾向于阻碍航空器向前运动。 [0003] 在现有技术中包括的是减小作用于表面的粘性阻力的许多尝试，所述粘性阻力诸如作用于通过空气移动的机翼或者或者通过水移动的水翼上的摩擦阻力。一种减小粘性阻力的方法包括在流体于其上移动的表面中形成多个穿孔或者孔隙，并且对孔隙施加吸力或者吹力(blowing force)。对孔隙施加吸力是基于从表面的边界层除去低能流体以便减小阻力的原理。对孔隙施加吹力采用对边界层增加较高能流体——其延迟边界层从表面的分离——的原理。如应用于机翼或者水翼升力面的，延迟边界层的分离增加升力、延迟相对于移动的流体流的大角度机翼冲击(attack)的失速(stall)，从而改进升力面的效率。 [0004] 不幸地，在孔隙施加吸力需要有源(active)真空系统。这种有源系统一般地需要增加单独的真空泵或者增加连接现有的真空泵与表面中的孔隙的复杂的一系列管道。如可理解的，有源真空系统的增加通常导致更重的系统，其可导致增加的维护劳动和费用。 [0005] 增加表面移动通过流体流的效率的另一方法包括在流体动力学升力面上使用槽或者拉条。可操作槽或者拉条以通过对在接近升力面流动的边界层气流增能来延迟流动分离。槽或者拉条不意欲减小阻力，并且由于槽或者拉条导致的升力面的附加表面积可轻微地增加粘性阻力。提供槽或者拉条作为在槽或者拉条的后缘周围形成的边界层旋涡的结果来增能边界层。较高能量的边界层流体流分离改进机翼和水翼升力面的效率，类似于与上述吹力技术相关的效率改进。对光滑的表面，这种旋涡在边界层气流中不停移动并且可撞击升力面或者使升力面偏斜。 [0006] 表面上槽或者拉条的构造可适应于边界层气流和周围的流体环境并且适合于升力面可能相对于周围流体环境移动的方式。例如，槽或者拉条必须沿大体平行于升力面相对于流体移动的预定方向定位。 [0007] 如可理解的，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，并且其优选是不需要有源元件的无源系统。另外，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，当改变升力面相对于流体的定向移动时，该方法和系统表现良好。另外，在本领域中存在对减小表面移动通过流体的粘性阻力的系统和方法的需要，该系统和方法结构简单、成本低、并且重量轻。发明内容 [0008] 通过超材料具体解决和缓解与减小作用于表面的粘性阻力有关的上述需要，所述超材料可以并入作为通过流体环境诸如通过空气或者通过液体(例如，水)移动的表面的一部分和/或可应用于通过流体环境诸如通过空气或者通过液体(例如，水)移动的表面。14 16 优选地，这种超材料在大约10 和10 Hz之间的范围内的频率下具有磁导率响应并且该范围可跨越电磁光谱的红外、可见、和紫外波段。超材料以减小表面上流体的粘性阻力的方式在表面和周围的流体流诸如气流或者液体流之间产生排斥力。 [0009] 相关领域技术人员使用术语“超材料”描述表现天然不可见的性质的材料。当与其他材料——诸如用于包括但不限于机翼和水翼的空气动力学和流体动力学表面的材料接近时，性质上原子和分子一般地经历吸引力。具有相关技术领域的知识的人员通常地在经典理论下称这种力为“范德华”力以及在量子理论下称为“Casimir-Polder-Lifshitz”力。 [0010] 如在此公开的考虑的超材料和根据在此公开的实施方式的原理使用这种超材料的系统和方法减小、消除和反向这种吸引力，并且实现在表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间的排斥力。如在此公开的超材料具有磁导率，该磁导率在电磁光谱的14 16 10 至10 Hz频率范围内对反向这种吸引力响应以产生排斥力。 [0011] 超材料可优选地具有高的磁导率和相对低的电容率——其足以在应用于表面或者与表面结合的超材料和在表面周围或者表面上流动的流体之间足够产生排斥力。在一个实施方式中，超材料可具有比超材料的电容率大上至至少10倍的磁导率。如在此描述的超材料的磁导率是无量纲参数并且指的是相对于自由空间的绝对磁导率(即，μ0＝-74π×10 牛顿/平方米)的材料磁导率。 [0012] 在一个实施方式中，超材料优选地包括具有上至大约25的绝对值的磁导率μ(ω)。更优选地，超材料可具有在范围从大约5至大约15的磁导率绝对值，其中超材料的电容率绝对值小上至大约10或者更多倍。尽管使用任何适当的制造方法、技术或者机构，可将超材料应用于任何表面，但是可作为表面的主要部分构造超材料并且也可作为可粘合至表面的附饰物(appliqué)构造超材料，所述表面诸如水翼的外表面、船壳、汽车表面或者其他交通工具外表面，诸如空气动力学表面，其包括例如航空器机翼、流体动力学表面、航空器机翼、尾翼表面、控制器表面、机身、螺旋桨叶、涡轮叶片。 [0013] 本公开还考虑通过应用在表面上和/或并入表面中的超材料作为表面的主要部分在表面和流体中的原子和/或分子之间产生排斥力，减小流体移动经过表面的粘性阻力的系统。也公开了形成应用于表面的超材料的方法，以至超材料在超材料表面和流体之间产生排斥力从而减小在表面上流体的粘性阻力。更具体地，可构造考虑的超材料以反向流体和表面之间的范德华力或者量子吸引力以减小其间的粘性阻力。 [0014] 公开的实施方式的技术益处包括不需要有源元件的粘性阻力减小的无源方法。此外，公开的实施方式是有效的和操作的，无需考虑流体和表面之间的运动方向。 [0015] 由于超材料的无源性质和方向独立的(directionally independent)操作和功能性能，公开的实施方式可有利地应用于机翼、水翼、和其他流体动力学结构以减小粘性阻力并增加其效率。例如，各种实施方式可应用于空气动力学表面诸如航空器机身、机翼诸如翼或者控制器表面，或者任何表面以减小流体摩擦力和/或改进空气动力学，这可大有裨益，诸如增加提升力、减小阻力和因而发生地减少航空器燃料消耗。 [0016] 另外，超材料的各种实施方式可用于涡轮发动机、压缩机、蒸汽涡轮或者其他流体涡轮的叶片、透平风扇叶片、转动叶片、螺旋桨叶、以及其他具有移动通过流体的组件的机器。此外，各种实施方式可用于流体动力学表面诸如水运工具的壳体和其他表面，所述水运工具诸如小船、轮船、和其他交通工具。但是，应用各种超材料实施方式可并入作为任何表面的一部分和/或应用于任何表面，其中需要与流体流动相关的粘性阻力的减小并且表面可包括空气、水、空间和陆地交通工具的所有表面和外层(skin)。 附图说明[0018] 通过参考附图本公开的这些和其他特征变得更加明显，其中相同的数字始终指代相同的部件，并且其中： [0020] 图1B是图1A的超材料的磁导率“μ”的实部和虚部对虚波长频率(i*ω)的图； [0022] 图3是标准化的范德华势能对距超材料表面诸如图1A-B和2的超材料表面的距离的曲线图，并且图解根据电响应的排斥势能的变化(例如，电容率伊普西隆或者“ε”的变化)； [0023] 图4A是根据本发明的原理的包括间隔的纳米圆柱体的纳米制造的超材料的透视图； [0024] 图4B是磁导率“μ”的实部对波长频率“ω”的曲线图，并且图解图4A的超材料的磁导率响应； [0025] 图4C是根据本发明的原理的包括间隔的纳米球体的纳米制造的超材料的透视图； [0026] 图5A是图解根据本发明的原理的纳米制造的超材料的一组成对的银纳米条(silver nano-strip)的单胞的截面图； [0027] 图5B是如此曲线图，其示出电容率“ε”(以虚线表示)和磁导率“μ”(以实线表示)的实部作为图5A的单胞的波长频率“ω”的函数；和 [0028] 图5C是图5A的单胞的横截面，其示出制造后结构并且进一步图解在单胞的横截面内的总的B-场力线。 [0029] 发明详述 [0030] 现在参考附图，其中示出仅为出于图解公开的优选的和不同的实施方式的目的，并非为出于限制其的目的，图1-5C图解通过利用超材料的性质减小表面移动通过流体的粘性阻力的本发明实施方式的不同方面，该性质能够实现流体的原子和分子和表面之间存在的吸引力的减小、消除、和/或反向，等等。 [0031] 如在此公开的和根据本发明的原理考虑的实施方式可优选地包括一种超材料或者超材料的结合，该超材料优选地具有高磁导率和低电容率性质——其足以在超材料和在表面上流动的流体之间产生排斥力。如在本公开中所用的，术语“范德华力”指并且一般表征为流体的原子和分子(或者相同分子的部分之间)之间的吸引或者排斥力的总和，其中所述原子和分子紧邻表面。按照经典理论，本领域技术人员将这种力称为范德华力，而按照量子论称为“Casimir-Polder-Lifshitz”力。 [0032] 如在此公开的使用这种超材料的系统和方法中的超材料可减小、消除、和反向这种吸引力并且可实现表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间的排斥力。如在此公开的使用其的系统和方法中的超材料实施方式具有在特定电磁光谱的频率下对反向14 16 这种吸引力响应以产生排斥力的磁导率。超材料优选地在大约10 和10 Hz之间的范围内的频率下具有磁导率响应，但是也考虑在该范围之外的频率下的磁导率响应。以减小在表面上流体的粘性阻力的方式，超材料在表面和周围的流体流诸如气流或者液体流之间产生排斥力。 [0033] 在一个实施方式中，超材料优选地具有上至大约25的磁导率μ(ω)绝对值(即，-25≤μ(ω)≤25)，但是超材料也可具有大于25的磁导率绝对值。如在此描述的-7磁导率是无量纲参数并且指相对于自由空间的绝对磁导率(即，μ0＝4π×10 牛顿/平方米)的材料磁导率。在更优选的实施方式中，超材料可具有从大约5至大约15(绝对值) 14 16 的范围内的磁导率。超材料优选地在大约10 和10 Hz之间的范围内的频率下具有大于超材料电容率绝对值的磁导率上至大约10或者更大的倍数，但是优选的磁导率和电容率性质可出现在高于和低于优选的频率范围的频率下。 [0034] 另外，超材料可具有大于电容率绝对值任何倍数——包括大于10的倍数——的磁导率绝对值。具有大约-15的磁导率和大约1.5的电容率的超材料(即，差10倍)可在超材料(例如，应用于或者并入表面中)和接近该表面的流体的原子/分子之间产生排斥势能。对给定组的材料参数，具有上述磁导率和电容率性质的超材料在超材料和在表面上流动的流体之间产生排斥力是有效的，如下更详细描述的。 [0035] 可进一步构造(例如，纳米制造)如在此公开的超材料以在某些波长下具有负的磁导率并可表现负的磁共振性质(即，磁导率的值地增加)。磁导率优选地大于超材料的电容率10或者以上的倍数以产生排斥势能。具有厚度δ的纳米结构的超材料可表征为具有表示为n＝n′+in″的有效折射率和表示为η＝η′+iη″的有效阻抗。在此，n′和in″分别是有效折射率n的实和虚折射率。同样地，η′和iη″分别是有效阻抗η的实和虚阻抗。 [0036] Yuan指出为得到这种参数(即，有效折射率n和有效阻抗η)，可通过实验和/或通过模拟得到传输和反射场的复值。除具有有效折射率n和有效阻抗η之外，纳米构造的超材料的薄膜的特征在于可被定义为ε＝n/η和μ＝nη的其有效电容率ε＝ε′+iε″和磁导率μ＝μ′+iμ″。在此，ε′和iε″分别是有效磁导率ε的实和虚磁导率。同样地，μ＝μ′+iμ″分别是有效磁导率μ的实和虚电容率。 [0037] 负指数超材料(NIM)具有负的电容率和负的磁导率，并可被本领域技术人员称为具有左手电磁特性(left-handed electromagnetism)，如在Yuan中公开。NIM也可被称为14 16 左手材料，并可在落于10 至10 Hz波段的波长下表现磁共振性能。Yuan指出在这种NIM中的磁共振包括有效折射率的实部，无论经过强的条件μ′＜0和ε′＜0或者经过更普通的条件ε′μ″+μ′ε″＜0，其都是负的。 [0038] 在此公开的实施方式中，可构造超材料以具有足够实现范德华吸引力的反向(Casimir-Polder-Lifshitz吸引力的反向)的磁导率。根据在此公开的实施方式的原理可构造超材料，并且该超材料可减小、消除、和/或反向这种吸引力和可实现排斥力。可构造超材料和使用其的系统以反向流体和表面之间的范德华力或者量子吸引力以减小其间的粘性阻力。以这种方式，超材料可在表面和经过表面流动的流体中的原子和/或分子之间产生排斥力。如上所指出的，这种超材料特征也可表征为左手超材料。在具有适当的磁和电响应的表面材料的表面附近可产生排斥势能。 [0039] 对于置于通过半无限半空间模拟的磁-介电板(magneto-dielectric plate)前的原子，可使用如下方程确定范德华势能U(zA)： [0040] [0041] [0042] 在上述方程中，通过下列方程可分别模拟电容率和(顺磁性)磁导率： [0043] [0044] 和 [0045] 上述表达式中： [0046] U(zA)表示范德华势能，其中z是原子/分子(以下标A表示)与表面的距离； [0047] ＝普朗克常数(6.62×10-34焦耳/秒)； [0048] μ0＝自由空间的绝对磁导率(4π×10-7牛顿/米2)； [0049] π＝常数(3.14)； [0050] u＝积分的游动变量(running variable)； [0051] α(0)(iu)＝原子/分子的基态极化率(在下面描述)； [0052] q＝积分的游动变量； [0053] e＝常数(2.718)； [0054] μ(iu)＝作为虚频率的函数的磁导率； [0055] ε(iu)＝作为虚频率的函数的电容率； [0056] μ(ω)＝超材料的有效磁导率； [0057] ε(ω)＝超材料的有效电容率； [0058] ωPm和ωTm＝超材料的固定磁频率； [0059] γm＝超材料的磁吸收增益(/损耗)； [0060] iωγm＝超材料的虚磁损耗； [0061] ωPe和ωTe＝超材料的固定电频率； [0062] γe＝超材料的电吸收增益(/损耗)； [0063] iωγe＝超材料的虚电损耗；和 [0064] ω＝与电容率ε和磁导率μ相关的频率。 [0065] 当满足下列条件时，可产生原子/分子和表面之间的适当的排斥力 [0066] [0067] 其中： [0068] U＝范德华势能(例如，U(zA))； [0069] k＝波尔兹曼常数(1.38×10-23焦耳/开尔文)；和 [0070] T＝开尔文温度。 [0071] 在图1A和1B所示的实例中，在光波段中相对于较弱的电响应具有强的磁响应的超材料可通过参数ωPm、ωTm、γm和参数ωPe、ωTe、γe表征，其中：ωPm和ωTm是磁频率；γm是超材料的磁吸收增益(/损耗)；ωPe和ωTe是电频率；和γe是超材料的电吸收增益(/损耗)。在图1A和1B所示的实例中，超材料可具有上述参数的如下近似值：ωPm＝1.0e15、ωTm＝2.5e15、γm＝1.0e14、ωPe＝1.0e14、ωTe＝2.5e15、和γe＝1.0e14。可构造超材料以具有多种这种参数，并且可在光波段中相对于弱的电响应表现强的磁响应——其足以产生排斥势能。如上所指出，磁导率响应优选地在5至15(绝对值)的范围内或者更大，并且优选地大于电容率响应的绝对值上至10或者更多倍。这种参数可导致在超材料的表面和位于接近该表面的流体中的原子/分子之间产生排斥力。 [0072] 在一个实例中，流体可由位于表面附近的水，例如经过或者围绕螺旋桨叶诸如泵的螺旋桨叶流动的水组成。原子/分子可形成位于螺旋桨叶表面附件或者经过螺旋桨叶表面流动的水的一部分。螺旋桨叶可包括可应用于叶片表面或者可以结合或者以其他方式并入表面中的超材料。该超材料可具有导致在原子/分子和表面之间产生排斥力的ωPm、ωTm、γm的值和参数ωPe、ωTe、γe。由于作用于表面和周围流体之间的排斥力，可减小在表面上流体的粘性阻力。 [0073] 以这种相同的方式，超材料可应用于任何表面以在任何流体介质——包括气体和液体介质及其组合——中使用。例如，超材料可应用于或者并入至通过大气移动的任何交通工具或者物体的任何表面，以便减小交通工具或者物体的表面和大气的空气和/或液体介质之间的粘性流体阻力。同样地，超材料可应用于或者并入至任何物体，在该物体上流体相对于物体移动，所述物体包括固定的物体或者交通工具或者移动的物体或者交通工具。 [0074] 计算排斥势能的一个步骤是评估流体中的原子/分子的极化率。参考图2，示出的是极化率对水的虚频率的实例，根据本公开的实施方式对该实例可使用软件程序计算极化率的近似值。如上所指出，水(即，流体)可位于表面附件或者其可相对于表面移动——超材料应用于或者并入至该表面。超材料应用于表面可导致在表面和接近表面的水的原子/分子之间产生排斥势能。排斥势能可在表面和组成流体(例如，水)的原子/分子之间产生排斥力以减小表面和流体之间的粘性摩擦力。尽管该实施方式使用水示出，但是也可以以相似的形式使用其他流体(即，气体和液体)，其包括空气(例如，氧气或者氮气)。 [0075] 计算排斥势能的方法需要评估以下述公开的展开形式给出的扰动理论的最低非零级的原子(分子)的基态极化率，如Buhmann第3页上的方程(3)： [0076] [0077] 其中： [0078] α(0)(ω)＝原子/分子的基态极化率； [0079] ＝普朗克常数(6.62×10-34焦耳/秒)； [0080] ωk0＝原子跃迁频率； [0081] ω＝与极化率相关的频率； [0082] iω＝虚损耗；和 [0083] d0k＝原子电偶极跃迁矩阵元。 [0084] 在一个实例中，使用名称为“通用原子和分子电子结构系统(General Atomic and Molecular Electronic Structure System)”(GAMESS)并且被M.W.Schmidt等人的J.Compu.Chem.14(11)1347(1993)描述的上述软件程序作为从头开始程序，可确定极化率，所述程序促进从头开始的明确地处理所有电子或者通过使用有效核芯势能(core potential)忽略核轨道的计算。使用GAMESS软件程序可计算图解水的极化率对虚波长频率(i*ω)的图2的图并绘制为称为“GAMESS Hessian”的曲线所示的。也在图2的曲线图中所示的是称为“展开拟合”的曲线图，该曲线图使用Buhmann中第3页上方程中对α的展开拟合参数产生。图2的实例曲线图使用下列展开拟合参数：ωk0＝4.0e16弧度/秒；dk0＝2.0e-24库伦-米；和ε＝0.1ωk0弧度/秒，但是也可使用多种的不同的展开拟合(0) 参数确定极化率。一旦确定，极化率值(即，α (ω))可插入方程中用于确定如上所述的超材料的范德华势能U(zA)，并参考为Buhmann方程(27)。 [0085] 图3图解在一个实施方式中，标准化的范德华势能对水原子/分子与壁或者表面的距离——超材料应用在壁或者表面上或者并入表面。更具体地，图3的曲线图图解根据一个实施方式，超材料表面和水之间的排斥势能的变化，该变化作为电响应ε的变化的函数出现。例如，图3表示通过参数ωPm＝1.0e15、ωTm＝2.5e15、γm＝1.0e14表征的并且具有磁导率μ＝(3.0，4.0)——其中3.0和4.0分别是磁导率μ的实部和虚部——的超材料的标准化的势能。 [0086] 参考曲线10、12和14可了解排斥势能的变化。曲线10是标准化的势能作为距电容率ε＝(1.1，0.16)的超材料表面(例如，壁)的距离zA的函数的图，其中1.1和0.16分别是电容率ε的实部和虚部。曲线12是电容率ε＝(1.01，0.04)的标准化的势能的图，而曲线14是电容率ε＝(1.001，0.00)的势能的图。如在图3中可见，尽管在曲线10和12中随着电容率ε减少下降标准化的势能增加，但是与曲线10和12相关的电容率相比，对于相对小的电容率ε＝(1.01，0.04)的减少，曲线14的标准化的势能趋于0。在这点上，图3图解对特定的磁导率μ的值，标准化的势能对电响应(即，电容率ε的值)是敏感的。同样地，可见必须使给定超材料关于流体(例如，水)的电响应(即，电容率ε)关于磁响应(即，磁导率μ)最优化，以便于使排斥势能最大化。 [0087] 参考图4A，示出的是根据本公开的一个实施方式的模拟的纳米制造的超材料20的概略图。超材料20可包括以给定距离间隔的并且大小适合并且被构造以便于提供磁导率共振响应的银纳米杆22。在示例性的超材料20的实施方式中，纳米杆22可具有大约8-12纳米(nm)之间的直径“d”和大约32-40nm之间的中心至中心间隔“s”以及适当尺寸的深度“h”。更优选地，纳米杆22可具有大约10nm的直径“d”和大约36nm的间隔“s”。纳米杆22可安装在基底上或者与基底整体成型，所述基底可包括表面。任选地，基底可包括可应用于或者并入表面的单独组件诸如附饰物。如可见的，图4A的模拟的超材料20的实施方式表明在大约0.375微米(μm)的波长λ处的大约5.03e15弧度/秒的共振磁频率ω，其具有-20的磁导率，如图4B中所示并且如下更详细描述的。在这点上，图4A图解构造以产生排斥势能的超材料20在给定波长或者波长范围处可显示共振频率ω。 [0088] 尽管图4A中的超材料20示出为具有大体圆柱形的间隔的银杆的排列，但是可考虑多种可选的尺寸、形状、和结构。例如，超材料20可由纳米微粒26组成，可以以多种排列提供该纳米微粒并且其可以以多种形状被构造，所述形状包括但不限于球、棱柱和其他正交形状，并可相对彼此间隔地置于基底32上或者表面上。可以以线性图案或者矩阵图案或者任何其他合适的二维和/或三维图案，排列球、杆、棱柱或者其他几何形状，这些图案可应用至基底32或者表面。此外，可用任何数量的不同材料构造超材料20，所述不同材料包括金属和非金属材料和/或其组合。 [0089] 图4C图解一组直径“d”并且以间隔“s”排列的纳米球24。可构造纳米球24的尺寸、间隔、和材料组成以在类似于图4A的超材料20的磁共振响应的频率范围下提供磁共振响应，其中如下所述在图4B中图解其响应。但是，可以以任何适当的构造和以任何尺寸和形状以及任何材料或者其组合形成超材料20，其导致足够产生排斥势能的磁导率和电容率性质。 [0090] 在大约1014和1016Hz之间的频率——尽管可考虑其他频率，优选地具体构造超材料20以具有上至大约25或者更大的磁导率绝对值。在更优选的实施方式中，超材料20可具有大约5和15之间的磁导率。磁导率绝对值优选地大于电容率绝对值上至大约10倍。超材料20的参数是优选的，以至当 时，在接近表面的流体的原子/分子之 间产生排斥力 如上所述。 [0091] 参考图4B，所示的是磁导率Re(μ)的实部作为频率欧米加ω(rad/s)的函数的图，以图解图4A的示例性超材料20的磁响应。磁导率μ对频率(ω)的图图解在ω＝5.03e15处的共振频率，其与位于接近或者邻近超材料20表面的流体的共振频率相匹配。 如可见，在共振频率ω＝5.03e15处，磁导率μ是急剧地变负，其图解在大约0.375微米(μm)的波长λ处超材料20的共振频率ω。 [0092] 参考图5A，所示的是负指数超材料(NIM)的实例，其中电容率和磁导率二者都具有负值。根据在此公开的实施方式，图5A的超材料20包括在基底32上形成并且具有一组成对的银纳米条28的单胞。图5A-5C选自上述的并且题目为“A Negative Permeability Material at Red Light”1078页的Yuan的参考文献。用“t”代表两个银纳米条28的厚度，而“d”代表在示例性实施方式中可包括氧化铝(Al2O3)的氧化铝间隔物(spacer)30的厚度。图5A中的晶胞具有大约120-160nm之间以及更优选地140nm的宽度“w”，大约32-38nm之间以及更优选地35nm的厚度“t”，大约37-43nm之间以及更优选地40nm的深度“d”，和在x-方向大约280-320nm之间以及更优选地300nm的周期“p”并且在y-方向是无限长度的。根据图5A中所示的x、y、z方位，可认为银纳米条28在y是无限的，和在x是周期为p的周期性的。 [0093] 图5B是图解图5A的上述晶胞的电容率ε′(以实线表示的Re(μ))和磁导率μ′(以虚线表示的Re(ω))的实部的曲线图。在绘制晶胞的电容率ε′(Re(μ))和磁导率μ′的图时，对于纳米条28，使用块状银(bulk silver)的光学常数，并且基底32的折射率是1.52。如可见，在大约825nm的波长处晶胞表现负的磁响应(磁导率μ′)和负的电响应(电容率ε′)。但是，在大约825nm和850nm之间的波长处晶胞相对于电容率响应绝对值表现足够大的正的磁响应，以至可产生排斥势能。如上所指出，这种响应代表不同超材料表现的多种响应中一种，这些超材料在磁导率和电容率之间可产生足够大的差异以产生上述的排斥势能诸如范德华势能UzA。在这点上，具有多种可选结构排列并且由多种具有不同材料性质的可选材料组成构成的多种超材料在多种可选的波长处可导致负的(或者正的)电容率和磁导率响应，以便磁导率和电容率的绝对值之间的差异足够产生排斥势能。 [0094] 图5C的左半边图图解构造图5A的模拟的单胞之后的实际横截面。图5C的晶胞具有底部宽度为wb和顶部宽度为wt的梯形的横截面形状，和在基底32上形成，并且具有一组被由氧化铝(Al2O3)组成的氧化铝间隔物30分开的成对银纳米条28。图5C的右半边图示出在上面和下面的纳米条28之间延伸的总B-场力线与在磁共振处的入射H-场相对。B-场力线代表磁通量密度，和H-场代表磁场的磁场强度。 [0095] 对根据上述公开的实施方式的任一个构造的或者以其他方式构造的超材料，超材料优选地具有高的磁导率(绝对值)和低的电容率(绝对值)。更具体地，超材料优选地具有上至大约25的磁导率μ(ω)的绝对值(即，-25≤μ(ω)≤25)，但是磁导率的绝对值也可大于25。超材料优选地具有如此磁导率，其大于超材料的电容率的绝对值上至大约14 16 10或者更多倍，并且在频率优选地在大约10 和10 Hz之间的范围，但是其他频率也是可考虑的。 [0096] 具有这种参数，超材料可足以在表面上的超材料和在表面上流动的流体之间产生排斥力。在一个实施方式中，可构造超材料为可粘合至表面的附饰物，所述表面诸如航空器机翼的外部表面或者外表面。但是，超材料可应用于多种不同的表面和用于不同的应用并使用不同的附着机制，而不仅仅限于通过粘合应用至空中交通工具或者涡轮叶片以减小经过其上的流体的粘性阻力的应用。 [0097] 本公开也可包括例如通过将超材料应用于表面减小流体移动经过表面的粘性阻力的方法。所述方法可包括使用超材料在表面和流体之间产生排斥力的步骤，例如负指数超材料应用于或者以其他方式置于表面上。产生步骤可包括反向负指数材料和流体的原子/分子之间的Casimir-Polder-Lifshitz力。产生步骤也可包括反向负指数材料和流体的原子/分子之间的范德华力。 [0098] 在这点上，产生步骤可包括使用如此超材料产生排斥力，所述超材料优选地对101416 至10 Hz波段中的频率具有相对强的磁共振响应(即，-25≤μ(ω)≤25)，以及如上所述的在这些频率下的相对弱的电共振响应。产生步骤还可包括使用具有产生至少1.0的标准化排斥势能的参数的超材料产生排斥力。超材料可通过多种不同的参数表征，包括但不限于ωPm、ωTm、γm和ωPe、ωTe、γe，其中：如上所述，ωPm和ωTm是超材料的固定的磁频率； γm是超材料的磁吸收增益(/耗损)；ωPe和ωTe是超材料的固定的电频率；以及γe是超材料的电吸收增益(/耗损)。 [0099] 在进一步实施方式中，本公开可包括通过形成左手超材料和将该超材料应用于表面例如，通过将附饰物粘合至其上或者使用任何适当的方法将超材料应用或者结合至表面，减小表面和流体之间的粘性阻力的方法。所述方法可进一步包括相对于流体移动表面，其中超材料在超材料和流体之间产生排斥力。 [0100] 形成超材料的步骤可包括如上所述的评估以展开形式给出的扰动理论的最低非零级的原子(分子)的基态极化率。形成超材料的步骤可包括确定实现流体和表面之间的吸引力的反向所必需的导磁率和电容率，其中吸引力可以是范德华力。 [0101] 对本领域普通技术人员本公开的另外的修改和改进是显而易见的。因此，在此描述和图解的部分的特定组合意欲代表仅仅本公开的某些实施方式，并非意欲作为对落入本公开的宗旨和范围内的可选实施方式或者设备的限制。 |
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