金屬基泡沫：漂浮城市不是夢(mèng)

□文/周文俊

圖： 漂浮于海上的“自由之舟”效果圖

泰坦尼克號(hào)曾是世界上體積最龐大、內(nèi)部設(shè)施最豪華的客運(yùn)輪船，號(hào)稱“永不沉沒(méi)的客輪”。然而不幸的是，首次出航便慘遭不幸，泰坦尼克號(hào)與一座冰山相撞，造成右舷船艏至船中部破裂，5間水密艙進(jìn)水，僅兩個(gè)半小時(shí)就沉沒(méi)了。

泰坦尼克號(hào)殘骸再現(xiàn)后，科學(xué)考察隊(duì)采集了金屬樣本進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)：造船工程師只考慮到增加船體鋼材的強(qiáng)度，沒(méi)有想到要增加其韌性。為了增加船體鋼材強(qiáng)度而往煉鋼原料中增加了大量硫化物，也大大影響了鋼材的脆性，最終導(dǎo)致泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)的悲劇。

一個(gè)多世紀(jì)過(guò)去，鋼材改進(jìn)了，但依然無(wú)法解決船只碰撞沉沒(méi)的問(wèn)題：2019年5月，一艘觀光船和一艘游船在匈牙利多瑙河上相撞，造成28人遇難；2018年1月，巴拿馬籍油輪與香港籍散貨船在長(zhǎng)江口以東約160海里處發(fā)生碰撞，21名船員棄船逃生。

生物漂浮的啟示

找到一種永不沉沒(méi)的金屬該有多好，世界上就不會(huì)再發(fā)生船只碰撞沉沒(méi)的事故了。科學(xué)家從自然現(xiàn)象中得到啟發(fā)。

潛水鐘蜘蛛通過(guò)建造自己的潛水鐘進(jìn)行呼吸，其原理是在水下織成圓頂狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，用充滿疏水性的腿部和腹部從水面將空氣帶到結(jié)構(gòu)中?；鹣伩梢栽谒行凶?，用它們超疏水性的身體捕獲大量空氣，從而在水中形成漂浮的火蟻筏。

可漂浮于水上的金屬基泡沫復(fù)合材料

這兩個(gè)有趣的現(xiàn)象的關(guān)鍵啟示在于，疏水表面能夠截留大量空氣。這對(duì)科學(xué)家們著手研發(fā)永不沉沒(méi)的漂浮“金屬”來(lái)說(shuō)是重要的突破口。

金屬自動(dòng)“上浮”

把“超疏水”特性賦予金屬，是否就可達(dá)到讓金屬在水面上漂浮的效果呢？理論上這是可以實(shí)現(xiàn)的，但必須解決兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題：一是金屬材料的選擇，二是“超疏水”特性附加工藝的研發(fā)。

首先是選擇金屬材料，這種材料必須滿足質(zhì)輕、堅(jiān)固、耐腐蝕等特性。研究人員瞄準(zhǔn)了鎂合金基復(fù)合材料。被選中的鎂合金基復(fù)合材料，利用中空碳化硅顆粒進(jìn)行加固，密度每立方厘米只有0.92克。相比之下，水的密度為每立方厘米1克。除了密度低于水外，這種鎂合金基復(fù)合材料還具有足夠的強(qiáng)度，能經(jīng)受惡劣的海洋環(huán)境考驗(yàn)。

其次是制造工藝的研發(fā)。為了實(shí)現(xiàn)鎂合金基復(fù)合材料的超疏水性能，研究人員用超高速激光脈沖在金屬表面蝕刻出微尺度和納米尺度的圖案，截住大量空氣，使金屬擁有超疏水性。

這項(xiàng)技術(shù)來(lái)自深泉技術(shù)(DST)和紐約大學(xué)工學(xué)院一個(gè)研究小組的工作成果，發(fā)表于2015年。這種金屬基復(fù)合泡沫材料如此輕盈，成型之初就成為汽車制造商們尋求的能夠減重以改善燃油經(jīng)濟(jì)性材料的候選。

“擠干”表面水分

但是問(wèn)題來(lái)了。水力摩擦作用下，材料表面復(fù)雜的圖案逐漸磨損，不斷降低材料使用的有效性。這些刻有微小凹槽的金屬長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中，凹槽中最終也會(huì)注滿水而非空氣，用這種金屬材料建造的船只仍然沉沒(méi)。

研究人員不得不尋求一種方法不斷把水“擠干”。他們對(duì)超疏水金屬表面進(jìn)行升級(jí)，原本只對(duì)金屬外側(cè)進(jìn)行處理，后來(lái)對(duì)平行放置的金屬內(nèi)側(cè)也做了處理，兩者形成封閉結(jié)構(gòu)，避免外部磨損。金屬板材之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x，足以防止水進(jìn)入其中，以便截留足夠的空氣為金屬結(jié)構(gòu)提供浮力。

來(lái)自生物漂浮的啟示

研究人員進(jìn)行了專門(mén)的試驗(yàn)，證實(shí)這種金屬材料即使破裂也不至于喪失浮力。他們?cè)谝粋€(gè)經(jīng)過(guò)處理的直徑1英寸金屬材料上戳了6個(gè)3毫米、1個(gè)6毫米的孔，置之于水面上，金屬結(jié)構(gòu)保持上浮。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了空氣被困在尚未破裂的金屬結(jié)構(gòu)中。即使將這種金屬結(jié)構(gòu)壓在水下兩個(gè)月，壓力釋放之后材料立刻浮上水面。

建造漂浮建筑

這種復(fù)合泡沫材料的秘密始于鎂基合金的制造?！敖饘倬哂谐惺芨邷囟鹊哪芰Γ跃哂凶鳛榘l(fā)動(dòng)機(jī)和排氣組件復(fù)合材料的巨大優(yōu)勢(shì)，更不用說(shuō)是用在結(jié)構(gòu)部分上。”材料研發(fā)成員之一、紐約大學(xué)工學(xué)院的 Nikhil Gupta教授說(shuō)。

這種讓人驚喜的新材料不僅可用來(lái)建造救生筏、浮力服或船只等中小型物體，隨著金屬表面面積增大，材料承載力也越來(lái)越大。對(duì)比玻璃纖維或石灰石等其他與漂浮城市概念相關(guān)的建造材料，鎂合金基復(fù)合材料更堅(jiān)固耐用。

漂浮城市并不是一個(gè)新鮮的建筑構(gòu)想，過(guò)去幾十年中，它曾經(jīng)反復(fù)出現(xiàn)。全世界每5個(gè)人中有2人生活在距離海岸線100公里以內(nèi)的區(qū)域，10%的人口生活在海拔不到10米的沿海地區(qū)。建筑界一直希望能在海洋中建造人類定居點(diǎn)。

可浮于水面的金屬材料的問(wèn)世，是否意味著有一天，這種特別的金屬材料將被用來(lái)建造漂于水上的巨型建筑？

化工讓生活更美好，建造漂浮城市不是夢(mèng)。目前，大量生產(chǎn)這種可漂浮金屬的最大障礙是激光蝕刻耗時(shí)較長(zhǎng)，一小時(shí)只能蝕刻1英寸見(jiàn)方的正方形面積。這個(gè)問(wèn)題正由制造生產(chǎn)商解決。?