“超材料”一类新材料在21世纪横空出世，它们具备了天然材料所不具备的特殊性质，关键在于人工特殊结构设计。超材料的设计思想突破了某些自然规律的限制，让人们在不违背基本物理学规律的前提下，设计出具有迥然不同超常物理性质的新材料。典型的超材料包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”、“金属水”等。

自我修复材料——仿生塑料，由伊利诺伊大学的Scott White研发。这种聚合物内含液体“血管系统”，当出现破损时，液体能像血液一样渗出并结块，修复宽度最大可达4毫米的裂缝，远超其他只能修复微小裂痕的材料。

热电材料方面，Alphabet Energy公司开发出的热点发电机，插入普通发电机排气管，能将废热转换成电力。该发电机使用黝铜矿，能效达到5-10%，方钴矿作为一种更廉价、能效更高的热电材料，可包裹汽车、冰箱或任何机器排气管，用于更大规模应用。

钙钛矿太阳能电池性能显著提升，从2009年的3.8%提升至2014年的19.3%，相比传统晶体硅电池能效超过20%，有进一步提升的潜力。钙钛矿材料的性能和成本优势，使其在太阳能电池领域展现出巨大的应用前景。

气凝胶作为一种轻质、绝缘体，由二氧化硅、金属氧化物和石墨烯等多种物质制成。NASA科学家实验的柔性气凝胶，用于太空飞船穿过大气层的绝缘材料，展现了其出色的性能和应用潜力。

Stanene材料由单原子层锡原子组成，具备100%的导电率，与石墨烯不同。斯坦福大学张首晟教授首次理论化该材料，预测Stanene是拓扑绝缘体，边缘为导体，内部为绝缘体，能在室温下实现零阻力导电。

光操纵材料通过纳米结构散射光线，可能实现物体隐形。根据制作方式和材料的不同，超材料还能控制微波、无线电波和T射线等电磁频谱。超材料对电磁频谱的控制能力，展现了其在光学和电磁领域广阔的应用前景。