天馬行空的超級新材料

沈臻懿

科幻大片中各類腦洞全開的未來幻想，有的天馬行空，有的則最終步入了現(xiàn)實社會。不少電影情節(jié)中，都可以看到有各種性能強大的“未來新材料”的藝術化描繪。譬如，《金剛狼》電影中主角體內(nèi)堅不可摧的艾德曼合金，不僅是劇中所設定的地球最硬金屬，更是能直接承受核武的攻擊。在這種超級金屬的面前，任何其他材料都難以與其抵御和抗衡。而在另一部好萊塢大片《終結者》中，那個極為難纏的機器人T-1000，不僅具有金屬般的堅硬程度，更是無孔不入，可任意穿越障礙物，并能在槍炮侵襲下實現(xiàn)自我修復。這一可自由變形與復原的“逆天身軀”，即是由未來新材料的液態(tài)金屬所制成。盡管科幻大片中的情節(jié)多有夸張與虛構之處，但在現(xiàn)實世界中，同樣存在著各類新型材料，并真切改變著未來社會的發(fā)展前路。

從科幻走向現(xiàn)實的液態(tài)金屬材料

《終結者》影片中所描繪的超高強度、超強可塑性的液態(tài)金屬材料，已然受到了現(xiàn)實社會的廣泛關注。作為一種未來新材料，液態(tài)金屬也從科幻影視作品中走向了現(xiàn)實世界的諸多領域。

基本常識告訴我們，物質通常具有固、液、氣三種狀態(tài)，對應溫度由低至高時的狀態(tài)變化。從原子結構層面而言，固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的區(qū)別在于其原子空間排布形式的不同。對于普通材料而言，物質在固態(tài)時多以晶體形式存在，即內(nèi)部原子呈規(guī)則排布。液體物質的原子間相互間距雖與晶體較為類似，但內(nèi)部原子并未呈現(xiàn)出規(guī)則化的排布。不過，液態(tài)金屬的出現(xiàn)，完全顛覆了前述傳統(tǒng)認識。與傳統(tǒng)固態(tài)金屬多為晶體的特性不同，液態(tài)金屬的原子呈不規(guī)則排布。其具備了固態(tài)金屬的堅硬度，但在原子結構上更接近于液態(tài)物質。液態(tài)金屬材料兼具有普通金屬和玻璃優(yōu)異的物理、化學與力學性能，故也被稱之為非晶金屬玻璃材料。

液態(tài)金屬的特殊性能，使得其在未來諸多領域中都有著令人期待的應用成果。從生理結構層面而言，人體全身都布滿著神經(jīng)網(wǎng)絡。這些神經(jīng)若受到損傷或斷裂，其再生過程尤為緩慢，有時甚至需要數(shù)年的時間。然而，人體神經(jīng)信號連續(xù)中斷一段時間后，受傷人員的相應肌肉功能就會旋即發(fā)生萎縮或減退，甚至造成不可逆地功能喪失。因此，一旦發(fā)生神經(jīng)纖維被切斷或破壞等損傷時，最大希望即是盡快能夠恢復這些被分隔的神經(jīng)末梢的連通。當前，醫(yī)學領域中大多使用自體神經(jīng)移植的方式來進行治療。但受制于各種因素的限制，神經(jīng)修復替代材料的選擇一直深受臨床醫(yī)學困擾。不過，液態(tài)金屬的問世與應用，逐漸讓人們看到了新希望！研究表明，若能將處于恢復期的肌肉神經(jīng)信息持續(xù)地向目標傳送，可大為提升神經(jīng)的修復速度并促使其恢復原有功能。因此，科學家嘗試將液態(tài)金屬植入生物體中，并將其作為高傳導性的神經(jīng)信號通路。液態(tài)金屬在神經(jīng)傳導方面所具體的特殊優(yōu)勢，令其與未損壞的正常神經(jīng)組織在信號傳導上具有高度的一致性。當液態(tài)金屬被植入生物體后，其不僅能減少肌肉功能喪失的風險，提升神經(jīng)再生概率，更可迅速搭建起已斷裂的神經(jīng)之間的信號通路與再生空間。此外，液態(tài)金屬自身所具有的金屬特性的一面，使其在X線照射下具有極強的顯影性。待神經(jīng)修復工作完成后，臨床專家即可以在X射線的幫助下，使用注射器將此前植入生物體內(nèi)的液態(tài)金屬取出，從而避免了復雜的二次手術可能對患者造成的額外傷害。

除了引領醫(yī)學領域的神經(jīng)修復技術外，液態(tài)金屬在未來的廣泛應用，還可能打造出一個電子計算機的新時代。在諸多數(shù)字化產(chǎn)品的零部件中，晶體管又被譽為計算機、智能手機等產(chǎn)品的“中樞神經(jīng)”，專司數(shù)據(jù)、信號的處理。隨著晶體管性能的不斷優(yōu)化，電子計算機的尺寸也在逐漸縮小，功能卻更為強大，使用也更為普及。但數(shù)十年來，前述電子元器件一直由固態(tài)物質所制造的狀況卻未曾改變。不過，這一情形可能會在未來發(fā)生改變?？紤]到液態(tài)金屬的優(yōu)異性能，科學家已在考慮將其用作電子元器件的制造材料。希望能夠利用液態(tài)金屬的特性，來打造可自我修復或軟件材料計算機。這一創(chuàng)造性的技術，利用了銦（In）和鎵（Ga）兩種金屬，經(jīng)相互混合后制成合金材料。銦（In）的熔點為156℃，而鎵（Ga）的熔點則僅僅只有30℃，因此在常溫下即可以實現(xiàn)液態(tài)金屬的效果。當這種液態(tài)金屬被注入橡膠中，不僅能像銅、銀等金屬一樣進行導電，甚至還擁有近乎天然皮膚般柔和、有彈性的電路，從而可制成兼有柔軟可變形性能與數(shù)字功能的流體晶體管。這些晶體管可通過兩個液態(tài)金屬的液滴來發(fā)揮其連接作用。液態(tài)金屬的表面張力與毛細現(xiàn)象會改變其自身的導電性能，從而呈現(xiàn)出類似于半導體的性質，并具有能夠控制電路開關的晶體管的效果。液態(tài)金屬電路只需要微量電壓，晶體管就可按照需要進行開關。當沿某個方向施加電壓時，液態(tài)金屬會相互靠近并形成金屬橋梁，從而起到導電作用。當反方向施加電壓時，液態(tài)金屬則會相互遠離，從而關閉其導電通路。相較于傳統(tǒng)固態(tài)物質所制造而成的晶體管，液態(tài)金屬晶體管具有更為卓越的應用前景。其不僅可以根據(jù)不同的電子特性來改變自身形狀，并變更原有功能，更不會發(fā)生損壞。只需調整電壓與溫度，其原有特性即可旋即恢復。

超級金屬材料——錸

能夠讓飛機這一龐然大物在天空中“振翅翱翔”，離不開強有力的航空發(fā)動機。作為當今世界工藝最為復雜、且科技含量最高的工程機械設備之一，航空發(fā)動機的核心部件即是其內(nèi)部的葉片。

為了獲得更大的推力，這些看似纖薄的葉片零件，往往需要承受更為嚴苛的考驗。若使每片葉片產(chǎn)生的動力都能相當于一輛2.0排量的越野車，這就意味著同時所產(chǎn)生的熱量將高達1700攝氏度之巨！其也使得一般的金屬材料難以承受如此之高溫。此時，就需要由一種超級新材料的應用，來解決這一難題！

在科學家的不懈努力下，一種名為“錸”的超級金屬得以改變航空發(fā)動機的研發(fā)軌跡。錸是人類歷史上最晚發(fā)現(xiàn)的一種天然金屬元素，其元素符號為Re，密度21.04g/cm3，熔點3180℃，是僅次于鎢（熔點3308℃）的第二難熔金屬。純錸質地柔軟，晶格類型為密排六方結構。其外表與鉑相似，具有良好的機械性能。

早在1871年，俄國科學家門捷列夫（Dmitri Mendeleev）就根據(jù)元素周期規(guī)律，提出在自然界中尚存一個未曾發(fā)現(xiàn)的，原子量約在190左右的“類錳”元素。但頗為遺憾的是，科學家們在很長一段時間內(nèi)都未能找尋到該元素。endprint

對于大多數(shù)人而言，錸還是一種極為陌生的金屬元素。一方面，自然界中錸的含量極為稀少，且分布極為分散。其在地殼中的含量僅僅只有十億分之一，比各類稀土元素的含量都要少得多。據(jù)美國地質調查局的調查報告顯示，全球范圍內(nèi)探明的錸儲量僅僅只有2500噸，其價格也極為昂貴，堪比鉑金。另一方面，絕大多數(shù)的錸均以分散稀少狀態(tài)伴生在其他一些金屬礦物之中。迄今為止，人們只發(fā)現(xiàn)了少量的銅錸硫化礦（CuReS4）、輝錸礦（ReS2）這兩種單獨的錸礦物，且儲量極為有限。

渦輪葉片是現(xiàn)代航空發(fā)動機中的一項核心部件。其在發(fā)動機運行時，不僅需要承受超高的溫度、每分鐘數(shù)萬次的轉速、數(shù)十個大氣壓的壓力，還須承受強大而又持續(xù)的離心力作用。面對如此嚴苛的運行條件，航空發(fā)動機所用的材料不僅不能變形，也不能斷裂，科學家甚至還期待能夠進一步增強葉片材料的各項性能。經(jīng)過大量的實驗與測試，航空發(fā)動機已由傳統(tǒng)的定向結晶渦輪葉片，發(fā)展為新型的單晶渦輪葉片。此外，金屬錸所具有的一系列特性，也令其成為未來增強渦輪葉片合金材料性能的超級元素之一！除了超高的熔點外，錸還具有極高的強度以及極佳的塑性，換言之，該種金屬不僅結實，且極難開裂。即使在高溫或低溫的環(huán)境下，金屬錸都沒有脆性，其抗拉強度和抗蠕變強度均高于鉬、鈮、鎢等金屬。

加入了金屬錸的單晶葉片，不僅可以提升數(shù)百度的渦輪燃燒耐受溫度，且在迅猛加熱、急速冷卻、超高溫度，并帶有強烈振動和沖擊的情況下，錸合金材料葉片也具有極長時間抵抗變形和開裂的有效工作能力。超級金屬材料錸的介入，使得航空發(fā)動機的發(fā)展又出現(xiàn)了新的突破。有了能夠承受更高溫度，且性能更佳的錸合金單晶葉片，航空發(fā)動機就能進一步加大渦輪壓力，從而提升運行效率。此外，航空發(fā)動機也能加速燃料燃燒的速度，進而產(chǎn)生更大的推動力。

除了在航空發(fā)動機領域“大展身手”外，超級金屬錸在其他眾多領域的未來發(fā)展也值得期待。錸具有極強的電子發(fā)射性能，這使其可以廣泛應用在電子技術、真空技術等領域中。使用金屬錸所制成的電接觸器，能夠超長期“服役”使用；而用錸鎢合金所制成的電子管陰極，其壽命可比傳統(tǒng)鎢制電子管陰極壽命延長100倍之巨！此外，金屬錸對于諸多化學反應都具有高度選擇性的催化性能，故其不僅可用于石油化工領域的催化劑，以合成高辛烷值汽油，美國、德國等發(fā)達國家也在嘗試利用錸過濾器來對汽車尾氣進行過濾和凈化。

仿生自愈材料

汽車保險杠上的劃痕、筆記本電腦外殼的磕碰、家居飾品的開裂等情況，往往令人極為頭疼。一旦遇到前述情形，往往苦于沒有合適的修復方式，而只能進行整體更換。那么，有沒有一種技術，能夠像人類軀體那樣，具有自我修復功能呢？對于人們而言，若不當心被玻璃、小刀或紙片等劃破后，其傷口的愈合主要靠血液來處理。血液中的血小板凝聚為傷口止血，從而達到傷口處理愈合的效果。如此強大的人體生理功能，已然為科學家們所關注。

基于對人體生理結構的仿生研究，科學家們新近研制出了一款仿生自愈材料，即能夠和人體一樣通過“流血”的方式來使破損之處得以修復。科學家在普通材料的基礎上，增加了一種人工管路網(wǎng)絡，并在這些類似于人體“血管”的導管中注入了能夠發(fā)生化學反應的半流體物質，進而制成能夠“自愈”的仿生人工合成材料。當這種材料被劃破受損時，內(nèi)部“血管”中就會釋放出兩種不同的半流體物質，一種可以用來形成大面積的凝膠，并堵住損傷之處，另一種物質則可以起到凝固作用，從而避免物品遭到進一步損毀。隨著溫度、光照或者是酸度變化，“血管”中流出的“血液”能夠令損傷之處自動愈合。

在一項實驗測試過程中，科學家在仿生自愈塑料板上鉆出一個直徑約為4毫米的孔洞，并伴有多條裂紋。材料內(nèi)含導管中的半流體隨即流出，并滲入孔洞和裂紋之中，僅僅只經(jīng)過不到30毫秒的時間就形成了厚厚一層凝膠，并阻止了損傷的進一步擴大。三小時過后，凝膠完全凝固，其自愈后的材料強度基本可以達到原材料強度的六成左右。這種新材料可適用于包括建筑物和各類設備在內(nèi)的任何物品，并可在難以抵達的場所或者緊急情況下使用。

此外，該新型材料的問世與未來的廣泛應用，也有望為電腦外殼、手機、汽車、飛機和其他產(chǎn)品提供較為理想的自我修復功能。以手機而言，進入智能手機時代后，用戶們普遍面臨著兩大窘境。其一即是手機續(xù)航問題，隨著手機屏幕越來越大，功能越來越多，其耗電量也愈發(fā)明顯。在電池續(xù)航方面，智能手機已研發(fā)出快充、無線充電等模式，較好地解決了這一難題。但在另一方面，手機屏幕容易刮花的難題，仍困擾著越來越多的智能手機用戶。在此背景下，仿生自愈材料的應用，無疑為廣大智能手機用戶帶來了希望。該種新型材料，有望根本上解決手機屏幕劃痕的問題。不過，仿生自愈材料畢竟仍處于研究初期，仍然有不少技術難關需要予以攻克。這一自我愈合和修復材料目前可修復的面積與強度較為有限，修復后的物品雖仍具有與原物品一樣的功能，但其材料質量與強度相對較低，修復后的損傷表面或多或少會形成類似于人體損傷愈合后的“傷疤”特征。

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.comendprint