敏感材料不尋常

竇光宇

敏感材料又稱智能材料，是繼天然材料、人造材料、精細材料之后的第四代功能材料。

具備多種仿生功能

敏感材料的構想來源于模仿大自然中生物的一些獨特功能，以便制造人類更為理想的工具和各種用具。因此，各種不同種類的敏感材料，均要具備感知、驅動和控制三個基本要素。具有或部分具有如下功能和特征：1．傳感功能。能夠感知外界或自身所處的環境條件，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射的強度及其變化。2．反饋功能。可以通過傳感網絡，對系統輸入與輸出信息進行對比，并將其結果提供給控制系統。3．信息識別與積累功能。能夠識別傳感網絡得到的各類信息并將其積累起來。4．響應功能。能夠根據外界環境和內部條件變化，適時動態地做出相應的反應，并采取必要行動。5．診斷功能。能通過分析比較系統目前的狀況與過去的情況，對諸如系統故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。6．修復和調節功能。通過自繁殖、自生長、原位復合等再生機制，修補某些局部損傷或破壞。對不斷變化的外部環境和條件，能及時地自動調整自身結構和功能，相應改變自身狀態和行為，從而使材料系統始終以一種優化方式對外界變化做出恰如其分的響應。

隨著應用領域的不斷擴展，對敏感材料的要求越來越復雜。而一般的單一材料則難以滿足需要，這就需要采取復合的方法來加以解決。一般來說，復合敏感材料由基體部分、傳感部分、驅動部分和信息處理器構成。基體部分擔負著承載作用，一般選用輕質材料或高分子材料，具有重量輕、耐腐蝕等特征。傳感部分的主要作用是感知環境變化，包括壓力、應力、溫度、電磁場、PH值等，常用電流變體、磁流變體和液晶材料。驅動部分擔負著響應和控制的任務，常用有效驅動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。這些材料既是驅動材料又是敏感材料，起到了身兼二職的作用，在復合功能中的作用也非同一般。

高新領域顯示身手

目前，敏感材料主要用于飛行、航天等高科技領域。由敏感材料制成的各種結構，可用于測量內部的應變、溫度、裂紋，探測疲勞和受損傷情況，能夠對結構進行監測和壽命預測。例如，采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結構，可對機翼、機架以及可重復使用的航天運載器，進行全壽命期的實時監測、損傷評估和壽命預測；空間站等大型在軌系統，采用光纖智能結構實時探測，不僅可以得到由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷的情況，還能夠對損傷程度進行評估和自診斷，及時反饋到指揮系統，以便采取有力對策。

敏感材料用于航空、航天系統，可以消除系統的有害振動，減輕對電子系統的干擾，提高可靠性。美國國防研究計劃局資助波音公司研制的直升機智能結構旋翼葉片，通過改善旋翼的空氣動力學性能，大大減小了振動和噪音。國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結構，由壓電陶瓷、形狀記憶合金和磁致伸縮等新型材料制成。用于艦艇，可以抑制噪聲傳播，提高潛艇和軍艦的聲隱身性能；用于地面車輛，可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度。

利用敏感材料還可以為飛行器增添環境自行適應結構。自體愈合機翼可以像生命有機體一樣可伸縮和有反應能力。多用途轟炸機，既可充當敏捷噴氣戰斗機，又可變成成群的微型無人駕駛航空器。實現這些航空航天科技項目的重大突破，核心技術就是敏感材料。美國的一項研究表明，在機翼結構中使用磁致伸縮致動器，可使機翼阻力降低85％。波音公司和麻省理工學院聯合研究開發的一項新課題，通過在槳葉中嵌入智能纖維，可以使槳葉扭轉變形。美國國防部和航空航天局研究的自適應結構，包括翼片彎曲、彎曲造型、控制面造型等許多新設計和新工藝，工作性能更為優異。現在，形態工程科學家所設想的機翼，使用“形態記憶”合金和其他新型材料，可以彎曲產生新的形狀，也可以根據指令而展開。一旦提供足夠的能量后，無論變換成為任何形狀，都可以最終恢復成原有的狀態。不久的將來，用敏感材料制成的飛機機翼，可以像魚尾巴一樣行動自如，自行彎曲、自動改變形狀，從而改進升力和阻力，使飛機飛得更高、更快。

現代醫學當好幫手

敏感材料在現代醫學中發揮了重要作用，已經成為人類戰勝危難疾病的得力幫手。

意大利比薩大學的科研人員，研制成功一種人造皮膚敏感材料，這種材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應力的大小，并且有良好的空間分辨力。這種敏感材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。這種生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反應速度均接近于人體的肌肉，所以，應用于人體組織的修復具有與生物體的相容性。隨著傷口的愈合，這種聚合物就會在體內逐漸降解，最后將會消失。

在藥物自動投入系統上，科學家正在研制一種能根據血液中的葡萄糖濃度而擴張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細胞工作，使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平。

敏感材料可以制成有效的抗癌藥物“導彈”，其中的疏水性藥物載體形成了“導彈”的疏水內核，而親水性部分則在內核周圍形成了一個水化物外殼。這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體，能自動避免被機體內單核吞噬細胞捕獲而有效的到達癌細胞所在地。

20世紀90年代后期，科學家研制出癌癥溫熱療法用針。這種先進的治療用具，采用對電磁場敏感的鐵氧體、包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲制成。通過導管將這種針植入病人癌變部位，由于形狀記憶作用，這種治療工具會發生彎曲變形現象；其后，在通過渦流效應產生高頻電磁場作用下，溫熱治療針產生一定熱量，致使癌變區得以萎縮。

促進生活更加舒適

墻壁可以隨心所欲的變換顏色；椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀；一切的電器都是觸摸式的，永遠不會再有觸電的危險：可視電話帶有傳感功能……

德國斯圖加特大學研究人員，發明了一種以太陽能為能源的新型化學纖維敏感材料，可將手機和電子記事本直接在衣服上接通。現在，這種高科技衣服已研制出樣品，敏感材料新纖維和袖珍太陽能計算器一樣，由3層薄薄的硅酮材料組成，外層是陰陽兩極導體。當構成光線的光子與含有大量電子的第一層材料接觸時，電子會向電子量較少的下兩層材料里移動，形成電流。這種太陽能導線能抵卸紫外線，耐熱，可以織入任何質地的衣料，且可在洗衣機中洗滌。

建造具有變通性和智能性房屋，需要使用多功能磚，這種新型建筑材料由若干個分層構成。通常情況下，第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出，如果是內墻壁磚的話，還能控制和改變墻體的功能：第二層是通訊層，能為居住者提供內外通信聯系的通道，第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其他材料。此外，住戶還可以挑選合適的帶“面膜”的磚材。如壁膜可以使墻壁產生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強；地膜可產生耐久的色彩和圖案；界面膜可連接內外通信線路。面膜可以算作是磚材的最上層，但設置及構形并不是一成不變，比較容易剝離。這樣，更便于人們根據需要更換新的面膜。

在未來的廚房里。利用敏感材料制造的餐具不僅能測知食物的存在，而且可以根據用戶的需要自行形成各種形狀。此外，它還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。用敏感材料制作的座椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面。這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫。甚至對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。

采用敏感材料裝修的衛生間，會使人感到十分便捷。洗漱時，人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區域，就能調節控制水溫、水速和水流的狀態供人們選擇。抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動變化，坐墊自動加熱至舒適的溫度。整個結構無論安裝在室內的任何地方，都能解決上下水的問題，淋浴設備的水溫和水流得到自動控制和調節。(文章代碼：0809)

[責任編輯]龐云