有“感知”能力的材料

唐承革

當提到“感知”能力時，人們自然而然地與生物聯(lián)系起來，因為只有生物才具有感知外界環(huán)境變化的感覺器官。但是，隨著科學技術的進步，人類將自己的智慧澆注到材料中，使無生命的材料也變得“聰明”起來，具有“感知”能力了?，F(xiàn)在已經(jīng)有很多材料具有不同的感知能力，人們稱這些材料為“智能材料”，也就是說這些材料能夠像生物體一樣感知周圍環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的發(fā)生，自動地做出適時、靈敏和恰到好處的反應，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復等功能。智能材料是材料學研究中最熱門的課題，現(xiàn)在已經(jīng)研究出具有各種各樣“智能”的材料。下面介紹幾種最近報道的具有“感知”能力的智能材料。

能發(fā)出危險信號的材料

在人們的日常生活中，紅色信號往往與危險聯(lián)系在一起：馬路上的紅燈亮了，車輛必須停止行駛，否則有兩車相撞的危險：救護車上的紅燈亮了，說明車中有病危病人需要急救；當司機踩剎車時，明亮的紅色尾燈警告后面的車輛必須減速；當一個人受傷的時候，輕者受傷的部位皮膚發(fā)紅，重者將流出紅色的血液……那么，如果一個建筑物或橋梁內(nèi)部的材料有損壞，怎么辦?如果它也能發(fā)出紅色的警報，就可以及時通知工程人員檢修，避免建筑物倒塌，拯救更多的生命財產(chǎn)。

最近，研究人員開發(fā)出了一種能夠在機械壓力下變換顏色的固體聚合物。今后，利用這項技術研制出的材料將能夠在建筑物斷裂或引發(fā)化學反應之前發(fā)出信號，從而使得工程師能夠在建筑物遭遇更大的壓力之前加固它們。

兩年前，這個研究小組在聚合物鏈的中央放入一種特殊的分子。在這種分子里，原子們通過化學鍵“手拉手”地組合成一個小環(huán)狀，如果受到外力的作用，這種分子的小環(huán)出現(xiàn)斷裂，則其他的分子就會變成紅色，這樣聚合物就變成紅色了。

這種能夠變化顏色的聚合物用途很廣，例如將其涂在任何物體的表面，就能夠在這些物體出現(xiàn)崩潰之前引起工程師的注意。應用相同的策略還可以設計出一系列具有不同功能的多種類的特殊分子，例如，通過它引發(fā)一種自我治愈的化學反應，將它們嵌入到聚合物分子中，那么，斷裂的材料就可以自動修復了。

可“自愈”的聰明材料

人和動物受傷后可自愈，材料損壞后是否也可“自愈”呢?這是幾世紀以來工程師們夢寐以求的愿望。以前也曾報道過有關可“自愈”材料，但是大多數(shù)產(chǎn)品既復雜又昂貴，應用到日常生活中有障礙。通過材料科學家的研究，這種自我修復的材料便宜多了，也簡單多了。最近，自動愈合材料領域新發(fā)現(xiàn)層出不窮，很多國家的科學家報道了他們研制的可“自愈”新材料和新產(chǎn)品，下面舉幾個例子。

▲2008年在10月9日的帕薩特cc發(fā)布會上，德國大陸輪胎公司為其新發(fā)明的輪胎架設了一座展臺，展示了神奇一幕：把一根長長的釘子刺進輪胎后，稍稍轉(zhuǎn)動輪胎，釘子造成的傷口竟在短時間內(nèi)愈合了。這種輪胎所用的橡膠材料內(nèi)部含有數(shù)百萬個充滿液體的微型膠囊，這些膠囊壁厚0.1毫米，細如發(fā)絲卻威力無窮。一旦橡膠材料表面出現(xiàn)了裂紋，膠囊壁就會破裂并釋放出液態(tài)的“修復劑”，在催化劑的幫助下，修復劑涌入裂縫，瞬間彌合。采用這種技術的輪胎的壽命會延長兩三倍。測試表明，自我修復系統(tǒng)將受損材料的強度恢復到原來75％。

▲法國科學家發(fā)現(xiàn)了一種可以不借助任何黏合劑就能自我修復的彈性材料。這種神奇的新材料是由從植物中提煉出的脂肪酸合成的，是由眾多小分子結構混合成超大分子網(wǎng)絡結構而成。一旦這種超大分子網(wǎng)絡結構被打破而出現(xiàn)碎裂，其中的小分子就會自動重新回到結構中，并表現(xiàn)出原有的彈性。這種新材料的自動修復功能不是一次性的，而是可以重復實施多次自我修復，如果將這種材料扯成兩段，在幾小時內(nèi)將兩處斷口放在一起，它們?nèi)匀荒軌蝠ず显谝黄?。這種新材料的應用領域?qū)⑹謴V闊，它可以做成“永不摔壞的玩具”、“永不磨損變形”的鞋底、“長壽”發(fā)動機等。目前，已有兩大系列的這類新材料產(chǎn)品準備投放市場，如不變形的超級瀝青和有強抵抗力的超大分子結構的塑料制品。

▲美國科學家利用樹脂和碳纖維等物質(zhì)合成了一種能感知裂縫并自動修理裂縫的新型合成材料。這種材料具有一定的導電性，如果材料中出現(xiàn)裂縫，裂縫附近的電阻就會增強，從而可以感知裂縫。同時，裂縫附近會因電流產(chǎn)生熱量，使材料中一種低熔點的特殊粉末很快受熱溶化并流入裂縫。在材料降溫后，流入裂縫的液體會快速凝固，裂縫部位就得到修理，強度可恢復到原有水平的近一半。

▲飛機和飛船使用時間長了，外殼會出現(xiàn)小孔和裂縫，機械師在例行維護檢查中也能發(fā)現(xiàn)此類問題。不過，英國科學家開發(fā)了一種特殊的復合材料，合成材料是由空心纖維制成的，在纖維中塞滿環(huán)氧樹脂。一旦有空洞或裂縫出現(xiàn)，環(huán)氧樹脂就會流出來，封住破裂處。研究人員給環(huán)氧樹脂加上顏色，使機械師更易于發(fā)現(xiàn)修補處，以便進行永久性修復。這種方法能處理肉眼很難看見的微小損傷，為受“微傷”的飛機和航天器消除隱患。研究人員認為，這項技術會在4年內(nèi)投入商業(yè)使用。

▲美國科學家最近發(fā)明一種可自動愈合消除劃痕的涂料。只需陽光照射15到30分鐘，具有“自愈”能力的涂料上的劃痕就能自動消失無蹤，汽車油漆可能被恢復到新車的程度。這種材料含殼聚糖。殼聚糖是來自蟹殼、龍蝦殼、蝦殼和叫作氧雜環(huán)丁烷的一種有機化合物。當涂層被劃后，氧雜環(huán)丁烷的環(huán)就會被破壞，化學反應活性部位就會被暴露。紫外線會爆裂殼聚糖分子，另一反應活性部位就暴露在外。氧雜環(huán)丁烷和殼聚糖彼此吸引，粘結和閉合劃痕。這種自我修復材料的用途極廣，可以被用于任何易劃的物體，例如，壓縮光盤、太陽鏡、iPod屏幕、手袋、鞋子甚至家具。專家稱，雖然目前這種材料仍處于實驗階段，但是可能5年內(nèi)就能上市。

感知溫度和壓力的材料

盡管人造手在行動和靈活度上日益逼真，但是與真正人手的最大不同是人造皮膚沒有感覺。現(xiàn)在，很多國家的科學家們正在研制可知冷暖的人造皮膚，使人造手更逼近于人的手。美國科學家約翰·西姆普森博士說：“通過運用碳納米管技術，我們造出的人造皮膚不但可以接近真實皮膚特性，甚至可以超越這些特性?！彼麄兪褂眉{米管的原因是因為由其制成的材料有很多有用的特性。例如，納米管制成的材料可以作為溫度和壓力傳感器、柔軟的電導體，或者是作為具有類似人類皮膚性質(zhì)的聚合材料的一部分。此外，納米管中的碳不會引起人體免疫系統(tǒng)的排斥，避免人體的不良反應。將來，科學家們還可以利用納米管研發(fā)與人神經(jīng)系統(tǒng)相連的傳感器，使人造皮膚的信息傳送到大腦。

現(xiàn)在，美國科學家已經(jīng)研制可以防水并感知溫度和壓力變化的皮膚。美國宇航局的專家將傳感器植入機器人的皮膚覆蓋層中，可使機器人更出色地完成太空探索任務。研究人員后來還研制了能夠產(chǎn)生壓覺和溫覺的機器人皮膚。日本東京大學的研究員最近研制出一種既能導電，又能像橡膠一樣伸縮的新材料，并用此材料制成機器手。這種新材料伸縮性能非常好，同時由于利用了導電性能好的“單層碳納米管”，使材料的導電率很高，即使將其拉伸，導電率也不會發(fā)生改變。運用這種材料，可以使得機器人的皮膚既具有彈性，又能感知熱度和壓力。

總之，這些“感知”材料的發(fā)展前途是十分廣闊的，如果真正應用到我們的日常生活中，將會使人類的生活發(fā)生巨大的變化。(文章代碼：1611)

責任編輯蒲暉