沈臻懿

科幻大片中各類腦洞全開的未來(lái)幻想，有的天馬行空，有的則最終步入了現(xiàn)實(shí)社會(huì)。不少電影情節(jié)中，都可以看到有各種性能強(qiáng)大的“未來(lái)新材料”的藝術(shù)化描繪。譬如，《金剛狼》電影中主角體內(nèi)堅(jiān)不可摧的艾德曼合金，不僅是劇中所設(shè)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(jí)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(jié)者》中，那個(gè)極為難纏的機(jī)器人T-1000，不僅具有金屬般的堅(jiān)硬程度，更是無(wú)孔不入，可任意穿越障礙物，并能在槍炮侵襲下實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。這一可自由變形與復(fù)原的“逆天身軀”，即是由未來(lái)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(gòu)之處，但在現(xiàn)實(shí)世界中，同樣存在著各類新型材料，并真切改變著未來(lái)社會(huì)的發(fā)展前路。

從科幻走向現(xiàn)實(shí)的液態(tài)金屬材料

《終結(jié)者》影片中所描繪的超高強(qiáng)度、超強(qiáng)可塑性的液態(tài)金屬材料，已然受到了現(xiàn)實(shí)社會(huì)的廣泛關(guān)注。作為一種未來(lái)新材料，液態(tài)金屬也從科幻影視作品中走向了現(xiàn)實(shí)世界的諸多領(lǐng)域。

基本常識(shí)告訴我們，物質(zhì)通常具有固、液、氣三種狀態(tài)，對(duì)應(yīng)溫度由低至高時(shí)的狀態(tài)變化。從原子結(jié)構(gòu)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(duì)于普通材料而言，物質(zhì)在固態(tài)時(shí)多以晶體形式存在，即內(nèi)部原子呈規(guī)則排布。液體物質(zhì)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(guò)，液態(tài)金屬的出現(xiàn)，完全顛覆了前述傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。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(jiān)硬度，但在原子結(jié)構(gòu)上更接近于液態(tài)物質(zhì)。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(xué)與力學(xué)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(lái)諸多領(lǐng)域中都有著令人期待的應(yīng)用成果。從生理結(jié)構(gòu)層面而言，人體全身都布滿著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這些神經(jīng)若受到損傷或斷裂，其再生過(guò)程尤為緩慢，有時(shí)甚至需要數(shù)年的時(shí)間。然而，人體神經(jīng)信號(hào)連續(xù)中斷一段時(shí)間后，受傷人員的相應(yīng)肌肉功能就會(huì)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(shí)，最大希望即是盡快能夠恢復(fù)這些被分隔的神經(jīng)末梢的連通。當(dāng)前，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中大多使用自體神經(jīng)移植的方式來(lái)進(jìn)行治療。但受制于各種因素的限制，神經(jīng)修復(fù)替代材料的選擇一直深受臨床醫(yī)學(xué)困擾。不過(guò)，液態(tài)金屬的問(wèn)世與應(yīng)用，逐漸讓人們看到了新希望！研究表明，若能將處于恢復(fù)期的肌肉神經(jīng)信息持續(xù)地向目標(biāo)傳送，可大為提升神經(jīng)的修復(fù)速度并促使其恢復(fù)原有功能。因此，科學(xué)家嘗試將液態(tài)金屬植入生物體中，并將其作為高傳導(dǎo)性的神經(jīng)信號(hào)通路。液態(tài)金屬在神經(jīng)傳導(dǎo)方面所具體的特殊優(yōu)勢(shì)，令其與未損壞的正常神經(jīng)組織在信號(hào)傳導(dǎo)上具有高度的一致性。當(dāng)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(fēng)險(xiǎn)，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(hào)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(qiáng)的顯影性。待神經(jīng)修復(fù)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(fù)雜的二次手術(shù)可能對(duì)患者造成的額外傷害。

除了引領(lǐng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的神經(jīng)修復(fù)技術(shù)外，液態(tài)金屬在未來(lái)的廣泛應(yīng)用，還可能打造出一個(gè)電子計(jì)算機(jī)的新時(shí)代。在諸多數(shù)字化產(chǎn)品的零部件中，晶體管又被譽(yù)為計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等產(chǎn)品的“中樞神經(jīng)”，專司數(shù)據(jù)、信號(hào)的處理。隨著晶體管性能的不斷優(yōu)化，電子計(jì)算機(jī)的尺寸也在逐漸縮小，功能卻更為強(qiáng)大，使用也更為普及。但數(shù)十年來(lái)，前述電子元器件一直由固態(tài)物質(zhì)所制造的狀況卻未曾改變。不過(guò)，這一情形可能會(huì)在未來(lái)發(fā)生改變。考慮到液態(tài)金屬的優(yōu)異性能，科學(xué)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(lái)打造可自我修復(fù)或軟件材料計(jì)算機(jī)。這一創(chuàng)造性的技術(shù)，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(diǎn)為156℃，而鎵（Ga）的熔點(diǎn)則僅僅只有30℃，因此在常溫下即可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的效果。當(dāng)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(jìn)行導(dǎo)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(guò)兩個(gè)液態(tài)金屬的液滴來(lái)發(fā)揮其連接作用。液態(tài)金屬的表面張力與毛細(xì)現(xiàn)象會(huì)改變其自身的導(dǎo)電性能，從而呈現(xiàn)出類似于半導(dǎo)體的性質(zhì)，并具有能夠控制電路開關(guān)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(jìn)行開關(guān)。當(dāng)沿某個(gè)方向施加電壓時(shí)，液態(tài)金屬會(huì)相互靠近并形成金屬橋梁，從而起到導(dǎo)電作用。當(dāng)反方向施加電壓時(shí)，液態(tài)金屬則會(huì)相互遠(yuǎn)離，從而關(guān)閉其導(dǎo)電通路。相較于傳統(tǒng)固態(tài)物質(zhì)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(yīng)用前景。其不僅可以根據(jù)不同的電子特性來(lái)改變自身形狀，并變更原有功能，更不會(huì)發(fā)生損壞。只需調(diào)整電壓與溫度，其原有特性即可旋即恢復(fù)。

超級(jí)金屬材料——錸

能夠讓飛機(jī)這一龐然大物在天空中“振翅翱翔”，離不開強(qiáng)有力的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。作為當(dāng)今世界工藝最為復(fù)雜、且科技含量最高的工程機(jī)械設(shè)備之一，航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(yán)苛的考驗(yàn)。若使每片葉片產(chǎn)生的動(dòng)力都能相當(dāng)于一輛2.0排量的越野車，這就意味著同時(shí)所產(chǎn)生的熱量將高達(dá)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(shí)，就需要由一種超級(jí)新材料的應(yīng)用，來(lái)解決這一難題！

在科學(xué)家的不懈努力下，一種名為“錸”的超級(jí)金屬得以改變航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)為Re，密度21.04g/cm3，熔點(diǎn)3180℃，是僅次于鎢（熔點(diǎn)3308℃）的第二難熔金屬。純錸質(zhì)地柔軟，晶格類型為密排六方結(jié)構(gòu)。其外表與鉑相似，具有良好的機(jī)械性能。

早在1871年，俄國(guó)科學(xué)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(gè)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(xué)家們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都未能找尋到該元素。endprint

對(duì)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?jī)H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(guó)地質(zhì)調(diào)查局的調(diào)查報(bào)告顯示，全球范圍內(nèi)探明的錸儲(chǔ)量?jī)H僅只有2500噸，其價(jià)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(dú)的錸礦物，且儲(chǔ)量極為有限。

渦輪葉片是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的一項(xiàng)核心部件。其在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，不僅需要承受超高的溫度、每分鐘數(shù)萬(wàn)次的轉(zhuǎn)速、數(shù)十個(gè)大氣壓的壓力，還須承受強(qiáng)大而又持續(xù)的離心力作用。面對(duì)如此嚴(yán)苛的運(yùn)行條件，航空發(fā)動(dòng)機(jī)所用的材料不僅不能變形，也不能斷裂，科學(xué)家甚至還期待能夠進(jìn)一步增強(qiáng)葉片材料的各項(xiàng)性能。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，航空發(fā)動(dòng)機(jī)已由傳統(tǒng)的定向結(jié)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(lái)增強(qiáng)渦輪葉片合金材料性能的超級(jí)元素之一！除了超高的熔點(diǎn)外，錸還具有極高的強(qiáng)度以及極佳的塑性，換言之，該種金屬不僅結(jié)實(shí)，且極難開裂。即使在高溫或低溫的環(huán)境下，金屬錸都沒(méi)有脆性，其抗拉強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)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(qiáng)烈振動(dòng)和沖擊的情況下，錸合金材料葉片也具有極長(zhǎng)時(shí)間抵抗變形和開裂的有效工作能力。超級(jí)金屬材料錸的介入，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)就能進(jìn)一步加大渦輪壓力，從而提升運(yùn)行效率。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)也能加速燃料燃燒的速度，進(jìn)而產(chǎn)生更大的推動(dòng)力。

除了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域“大展身手”外，超級(jí)金屬錸在其他眾多領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展也值得期待。錸具有極強(qiáng)的電子發(fā)射性能，這使其可以廣泛應(yīng)用在電子技術(shù)、真空技術(shù)等領(lǐng)域中。使用金屬錸所制成的電接觸器，能夠超長(zhǎng)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(zhǎng)100倍之巨！此外，金屬錸對(duì)于諸多化學(xué)反應(yīng)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(lǐng)域的催化劑，以合成高辛烷值汽油，美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也在嘗試?yán)缅n過(guò)濾器來(lái)對(duì)汽車尾氣進(jìn)行過(guò)濾和凈化。

仿生自愈材料

汽車保險(xiǎn)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(méi)有合適的修復(fù)方式，而只能進(jìn)行整體更換。那么，有沒(méi)有一種技術(shù)，能夠像人類軀體那樣，具有自我修復(fù)功能呢？對(duì)于人們而言，若不當(dāng)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(lái)處理。血液中的血小板凝聚為傷口止血，從而達(dá)到傷口處理愈合的效果。如此強(qiáng)大的人體生理功能，已然為科學(xué)家們所關(guān)注。

基于對(duì)人體生理結(jié)構(gòu)的仿生研究，科學(xué)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(guò)“流血”的方式來(lái)使破損之處得以修復(fù)?？茖W(xué)家在普通材料的基礎(chǔ)上，增加了一種人工管路網(wǎng)絡(luò)，并在這些類似于人體“血管”的導(dǎo)管中注入了能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的半流體物質(zhì)，進(jìn)而制成能夠“自愈”的仿生人工合成材料。當(dāng)這種材料被劃破受損時(shí)，內(nèi)部“血管”中就會(huì)釋放出兩種不同的半流體物質(zhì)，一種可以用來(lái)形成大面積的凝膠，并堵住損傷之處，另一種物質(zhì)則可以起到凝固作用，從而避免物品遭到進(jìn)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(dòng)愈合。

在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，科學(xué)家在仿生自愈塑料板上鉆出一個(gè)直徑約為4毫米的孔洞，并伴有多條裂紋。材料內(nèi)含導(dǎo)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(guò)不到30毫秒的時(shí)間就形成了厚厚一層凝膠，并阻止了損傷的進(jìn)一步擴(kuò)大。三小時(shí)過(guò)后，凝膠完全凝固，其自愈后的材料強(qiáng)度基本可以達(dá)到原材料強(qiáng)度的六成左右。這種新材料可適用于包括建筑物和各類設(shè)備在內(nèi)的任何物品，并可在難以抵達(dá)的場(chǎng)所或者緊急情況下使用。

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

編輯：黃靈 yeshzhwu@foxmail.comendprint