奇幻新材料

瞿　佳

未來的材料，將向極細小的超微粒材料——納米材料、智能材料等方向發(fā)展。這些21世紀的新材料，將在生活的各個領(lǐng)域大展宏圖，創(chuàng)造出令人驚嘆的奇跡，使我們的世界變得更加絢麗多姿。

前景無限的納米

現(xiàn)代的納米材料是從20世紀80年代發(fā)展起來的。那么，什么是納米?我們把1毫米分割為1000份，每1份就叫做1微米；再把1微米分割為1000份，每1份就是1納米。

1980年的一天，德國物理學家格萊特到澳大利亞去旅游。當他獨自駕車橫穿澳大利亞的大沙漠時，眼前的景象使他突發(fā)奇想，將茫茫的大漠和材料中的晶粒聯(lián)系起來。他是從事晶體材料研究的，知道晶體中的晶粒大小對材料性能有極大的影響，晶粒越小材料的強度就越高。

于是他就想，如果組成材料的晶粒細小到只有幾個納米那么小，材料會是什么樣子呢?

回國后，他立即開始試驗和研究。經(jīng)過努力，終于在1984年得到了只有幾個納米大的超細粉末。在研究中他發(fā)現(xiàn)，任何金屬和有機、無機材料都可以制成納米大小的粉末。一旦變成納米大小的粉末，材料的性能就會發(fā)生“天翻地覆”的變化。

這種奇特的超微粒子神通廣大，應用面廣。例如，將金屬鋁和鎳的超微粒子摻到火箭的固體燃料中，就可使燃燒效率提高100倍左右。美國和俄羅斯的火箭中已普遍使用了這種辦法。有些新藥物制成納米顆粒，注射到血管內(nèi)可順利進入微血管，大大提高了藥物的療效。

在不久的將來，人們將用更聰明和更有效的方法在原子、分子級控制物質(zhì)，創(chuàng)造出更適合我們需要的性能優(yōu)異的新材料。

“有感覺”的材料

20世紀90年代初，科學家設法使飛機上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)具有自主“神經(jīng)系統(tǒng)”、“肌肉”和“大腦”，使它們能感覺到即將出現(xiàn)的故障，并及時向飛行員發(fā)出警報。

科學家在復合材料中嵌入細小的光纖。這種縱橫交錯布滿在復合材料中的光纖，能像“神經(jīng)”那樣感受到機翼上受到的不同的力。這是因為通過測量光纖傳輸光時的各種變化，就可測出飛機機翼承受的不同壓力。

飛機受到損壞時，光纖會斷裂，光傳輸就會中斷，于是就能發(fā)出即將出現(xiàn)事故的警告。

有類智能材料是電或磁的流變體。這種神奇的液體在遇到電流或磁場時會改變它的流動性能。當它處于常態(tài)下，可以毫不費力地用勺子攪動；但是當其中有電流穿過時，它會突然間變得像混凝土樣黏稠。利用這種液體的奇特性能，可以制造出新型的汽車懸架和傳動裝置，以及減振系統(tǒng)和可變阻力的健身器械。

如今，科學家正在研制新的智能材料，賦予它們“生命”。他們希望給從墻壁到飛機機翼的所有物體裝上用特殊材料制成的“眼睛”、“大腦”和“肌肉”。

所謂的“眼睛”，是利用光導纖維制作的，可以用它探測飛機機身及機翼的變形，以便及時發(fā)出報警。

光纖“眼睛”現(xiàn)在已被用于監(jiān)視橋梁的安全?？茖W家還研制了一種變色玻璃“眼睛”。這種變色玻璃不像太陽鏡那樣對強光做出反應，而是對某些具體的化學物質(zhì)做出反應。由于加入了酶及其他蛋白質(zhì)，這種玻璃在含有某些化學物質(zhì)的環(huán)境中會出現(xiàn)不同的顏色，因而可用它監(jiān)測環(huán)境污染。

“自我修復”的材料

讓形形色色的產(chǎn)品能更耐久地使用，一直是科學家的夢想。如果能讓各種材料進行自我修復，那么產(chǎn)品的壽命就會大大延長。

美國伊利諾斯大學的科學家受人體自愈功能的啟發(fā)，發(fā)明了一種可使聚合物“自動修復”的新方法，即在聚合物里添加療傷用的可及時分泌的“淋巴液”，以及激活這種修補液啟動修補過程所需的化學觸媒。

在日常生活中，汽車每顛簸下，車上的各種材料部會隨震動開始產(chǎn)生細小的裂縫。漸漸地，人工合成材料就老化，直到徹底損壞。

近來，科學家采用了種看似簡單的方法：在復合材料中添加一種內(nèi)部含有膠水的膠囊。膠囊的厚度只相當于一根人的頭發(fā)絲的粗細，而添加方式則是把膠囊噴灑到目前仍然處于實驗階段的一種新型玻璃纖維復合材料上。

當材料表面出現(xiàn)細微裂紋時，這些膠囊就會破裂，沿著裂紋的走向釋放出膠水，自動修復這些裂紋。48小時后，在出現(xiàn)裂紋的受損部位，材料強度可以恢復到原先的75％。

科學家還把日常生活中最普通的混凝土“變”成了能“自我修復”的材料。

這是怎么一回事呢?原來，科學家把含有密封劑的纖維遍布橋梁結(jié)構(gòu)中，一旦橋梁出現(xiàn)裂縫，其中的纖維也會被撕破，密封劑被釋放出來，即可對橋進行修補。

未來，“自我修復”材料將運用到宇宙飛船、人造關(guān)節(jié)和橋梁支架等處，因為這些材料一旦出現(xiàn)問題，維修人員很難或根本無法接近。

環(huán)保復合材料

目前國內(nèi)生產(chǎn)的建筑用板材多是使用木屑加尿醛素作黏合劑，其中的甲醛對人身傷害較大，并且無法重復使用。我國是森林資源十分匱乏的國家，年木材缺口高達300萬立方米，更加大了市場對代木材料的需求。

為此，人們發(fā)現(xiàn)了種新型高密度復合材料，其主要工藝原理是以稻草、麥秸、棉花稈、玉米稈、甘蔗渣、竹屑、蘆葦稈、木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物作原料，以聚乙烯、聚丙烯及其廢棄物，如汽水瓶、可樂瓶、礦泉水瓶等或塑料薄膜、塑料制品的城市廢棄物(白色垃圾)等作黏合材料，并加入一定量的添加劑等，在一定工藝條件下合成。這最新成果被聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織譽為“21世紀新材料”。

這種材料的特點是：不使用木材，可以保護生態(tài)環(huán)境，緩解了實行天然林保護后木材缺乏的司題；利用廢棄物，使得物盡其用，節(jié)約能源，保護環(huán)境；無毒無害，沒有甲醛的成分，不會對人體產(chǎn)生危害；產(chǎn)品密度高強度好，木材、刨花板、中密度板等均易受到厭氧菌、霉菌、甲蟲、白蟻蛀蟲等生物的侵害和海水的腐蝕，而環(huán)保復合材料板不會受到以上侵害。

高密度復合材料技術(shù)的實現(xiàn)不僅解決了農(nóng)業(yè)廢棄物和城市廢棄物的污染排放問題，還節(jié)省了有限的林業(yè)資源，必將對我國的21世紀的環(huán)保產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

太空新材料

美國杜克大學有位叫科克斯的工程學教授，是研究金屬材料的專家。大多數(shù)人對金屬的密度或比重的認識都比較膚淺，以為就是一種物理性能，也就表示誰輕誰重而已。但科克斯對密度或比重認識，卻比別人要深刻。

1991年，科克斯利用“哥倫比亞”號航天飛機進行了次在微重力條件(即失重狀態(tài))下制造泡沫金屬的試驗。他設計了一個石英瓶，把鋰、鎂、鋁等輕金屬放在一個容器內(nèi)，用太陽能將這些金屬熔化成液體。然后在熔化的金屬中充進氫氣，產(chǎn)生大量氣泡。這個過程有點像用小管子往肥皂水中吹氣，會產(chǎn)生大量泡沫一樣，金屬冷凝后就形成到處是微孔的泡沫金屬。

有人會問，這種泡沫金屬有什厶用途呢?它會像泡沫塑料那樣軟軟的嗎?實際上，泡沫金屬的強度很高，并非像泡沫塑料那樣軟軟的。用泡沫金屬做成的梁比同樣重量的實心梁剛性高得多。因為泡沫使材料的體積大大擴張，獲得了更大的橫截面，因此用泡沫金屬制造的飛行器，可以把總重量降低半左右。用多孔泡沫金屬建立太空站還有個優(yōu)點，即當空間站結(jié)束其使命B寸，可以讓它們重返大氣，在大氣層中迅速徹底燃燒化成氣體，減少太空中的垃圾。