超材料，又称“超构材料”或者“人工超构材料”，是指一大类通过设计人工功能基元和周期性的空间有序结构所形成的新型材料，能够展现出许多新奇的、超常的力、热、光、声、电、磁等物理特性。这些材料虽然在成份上并无太多的特殊之处（通常由金属或高分子材料制成），但是由于他们具有精确设计的形状、尺寸、孔洞和几何构型，使得它们具有常规块体材料所不具备的特性，能够通过阻挡、吸收、增强、弯折或者干扰特定波长的电磁波或声波的传播，实现光学和声学“隐身”、负折射率、光操纵、负磁导率、负介电常数、超高力学强度等等超越传统材料的神奇功能。简单来说，超材料就是指往往具有“不按常理出牌”的特异性能的一类新材料。
早在1898年，英国科学家就研究了一些具有不对称的“手性”结构的物质，被认为是的超材料研究的最早起源。随后，科学界对进行了一系列的研究和探索，1967年前苏联的理论物理学家Victor Veselago从理论上提出了负折射率的超材料，1999年，英国物理学家John Pendry第一个明确提出制作左手超材料的实用方法，2006年，美国物理学家D.R.Smith的课题组利用超构材料实现了第一个在微波频段的“隐身”斗篷。
超构材料向我们展示，自然界的规律可能并不总像它们看起来那样固定。超材料的性质通常不是来自其基体材料的性质，而是来自它们新颖设计的人造微观结构。通过适当设计的超材料可以使得对特定波长的电磁波或者声波以非常规的方式进行传播。正是因为超材料的性质不是由构成的材料决定，而是取决于人工结构，所以在人为设计、控制的情况下，就能以全新的方式对光进行折射和操控，进而创造多种不寻常的光学效果，例如负折射、相位全相片、超级透镜等，甚至是科幻小说里的隐形斗篷。
折射率为负的超材料 超材料制成的隐形外衣
对超材料研究是跨学科的，涉及到了光学、电磁学、凝聚态物理、光电子学、纳米材料和半导体工程等诸多的领域。超材料可以实现很多不可思议的用途，包括光学滤波器、隐身飞行器、远程航空航天应用、传感器检测、雷达罩、高频战场通信、高增益天线镜头、超声波传感器甚至屏蔽地震波等，从军事、工业再到生活消费等各个领域，超材料都将产生颠覆式的应用。
其中，隐身技术是通过控制军事装备的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术，是提高战场生存能力的有效手段。与传统的利用各种吸波、透波材料、红外遮挡、涂抹迷彩等方法相比，利用负折射率材料制造的军事装备可以将光线或雷达波反向散射出去，使得从正面接收不到反射的光线或电磁波，从而在技术上实现真正意义上的雷达、微波、红外和光学隐身。此外，电磁超材料还可以用于电磁黑洞、慢波结构等元器件的制作，用于超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、电子对抗雷达、超材料通信天线和无人机雷达，对未来的通信、光电子技术、先进制造产业以及传感、核磁、强磁场及微波能利用等技术将产生深远的影响。
另外，超材料对光波的奇妙操纵能力提供了创造“超透镜”的潜力。常规的显微镜、放大镜等光学器件的制造一直被一条光学规律所限制——无论光学仪器的镜片多么精良，任何小于光的波长长度的物质都是无法被观察到的。然而，利用负折射率材料制成的透镜却能克服这个问题，制作成理想的超透镜，可以允许在小于光波衍射极限的尺度下成像，突破传统玻璃透镜可以实现的最小分辨率。利用负折射率材料的这些特点，可以制作单光子探测器、微型分光仪、超灵敏单分子探测器、磁共振成像设备及新型的光学器件，用于进行生化试剂传感探测、微量污染探测、生物安全成像、生物分子指纹识别，以及遥感、恶劣天气条件下的导航等。
此外，一些特殊结构的超材料也能够对声波，次声波、超声波甚至地震波进行控制、引导和操纵，它们也被“声学超材料”或“机械超材料”。利用声波或机械波在这些具有特殊结构的材料中的特殊传播机制，可以形成局域共振系统，来精确地增强或者消除声音的传播，，用途包括非破坏性材料测试、医疗诊断和声音过滤等。更有意思的是，在建筑领域如果大规模采用机械超材料，可以形成减弱地震波的超材料防护系统，有效地减弱破坏性的地表地震波对人造建筑的不利影响，使得未来的城市在破坏性地震中受到保护，也可以用来屏蔽其他形式的高频振动，比如在高铁路线的周围减弱振动，或者对爆炸等危害加以防护。
在力学增强方面，超结构材料可以提供超轻重量和超高强度等特性。通过计算机的模拟计算，可以设计具有类似于建筑物和桥梁桁架结构的超轻材料，其密度非常的轻，和常规的气凝胶相当，但是强度却比气凝胶高四个数量级，可以承受至少160000倍的自身重量。另外一种奇妙的弹性超材料则具有负的“泊松比”，在进行压缩的时候，这种材料会从各个方向进行收缩，而不是向另外两个侧面鼓出去，变得又宽又平；而在拉伸的时候，它又会向各个方向延伸。这种材料具有良好的抗冲击性能，可用于汽车车体、缓冲器等增强复合材料外，还可用与防弹背心、护胫、护膝、护套等等，在航空、国防、电子产业等方面有着巨大的潜在价值。
负泊松比的超材料
目前，众多发达国家都在加大超材料技术的研发，美国国防部将其列为“六大颠覆性基础研究领域”之一，2010年《科学》杂志将超材料列入本世纪前十年10项重要科学进展之一。我国也高度重视超材料技术的发展，在863计划、973计划、国家自然科学基金、新材料重大专项等项目中对超材料研究予以立项支持，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，取得了多项原创性成果。在2017年发布的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》中，对超材料也进行了重点规划。毫无疑问，超材料大大改变了材料科学及其各领域的应用，将带来各种颠覆性的技术变革。
