有“感知”能力的材料

唐承革

當(dāng)提到“感知”能力時(shí)，人們自然而然地與生物聯(lián)系起來(lái)，因?yàn)橹挥猩锊啪哂懈兄饨绛h(huán)境變化的感覺(jué)器官。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類將自己的智慧澆注到材料中，使無(wú)生命的材料也變得“聰明”起來(lái)，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(shuō)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(dòng)地做出適時(shí)、靈敏和恰到好處的反應(yīng)，并具有自我診斷、自我調(diào)節(jié)、自我修復(fù)等功能。智能材料是材料學(xué)研究中最熱門(mén)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(bào)道的具有“感知”能力的智能材料。

能發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)的材料

在人們的日常生活中，紅色信號(hào)往往與危險(xiǎn)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(xiǎn)：救護(hù)車上的紅燈亮了，說(shuō)明車中有病危病人需要急救；當(dāng)司機(jī)踩剎車時(shí)，明亮的紅色尾燈警告后面的車輛必須減速；當(dāng)一個(gè)人受傷的時(shí)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(gè)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(bào)，就可以及時(shí)通知工程人員檢修，避免建筑物倒塌，拯救更多的生命財(cái)產(chǎn)。

最近，研究人員開(kāi)發(fā)出了一種能夠在機(jī)械壓力下變換顏色的固體聚合物。今后，利用這項(xiàng)技術(shù)研制出的材料將能夠在建筑物斷裂或引發(fā)化學(xué)反應(yīng)之前發(fā)出信號(hào)，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(gè)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(guò)化學(xué)鍵“手拉手”地組合成一個(gè)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(huì)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(yīng)用相同的策略還可以設(shè)計(jì)出一系列具有不同功能的多種類的特殊分子，例如，通過(guò)它引發(fā)一種自我治愈的化學(xué)反應(yīng)，將它們嵌入到聚合物分子中，那么，斷裂的材料就可以自動(dòng)修復(fù)了。

可“自愈”的聰明材料

人和動(dòng)物受傷后可自愈，材料損壞后是否也可“自愈”呢?這是幾世紀(jì)以來(lái)工程師們夢(mèng)寐以求的愿望。以前也曾報(bào)道過(guò)有關(guān)可“自愈”材料，但是大多數(shù)產(chǎn)品既復(fù)雜又昂貴，應(yīng)用到日常生活中有障礙。通過(guò)材料科學(xué)家的研究，這種自我修復(fù)的材料便宜多了，也簡(jiǎn)單多了。最近，自動(dòng)愈合材料領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)層出不窮，很多國(guó)家的科學(xué)家報(bào)道了他們研制的可“自愈”新材料和新產(chǎn)品，下面舉幾個(gè)例子。

▲2008年在10月9日的帕薩特cc發(fā)布會(huì)上，德國(guó)大陸輪胎公司為其新發(fā)明的輪胎架設(shè)了一座展臺(tái)，展示了神奇一幕：把一根長(zhǎng)長(zhǎng)的釘子刺進(jìn)輪胎后，稍稍轉(zhuǎn)動(dòng)輪胎，釘子造成的傷口竟在短時(shí)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(wàn)個(gè)充滿液體的微型膠囊，這些膠囊壁厚0.1毫米，細(xì)如發(fā)絲卻威力無(wú)窮。一旦橡膠材料表面出現(xiàn)了裂紋，膠囊壁就會(huì)破裂并釋放出液態(tài)的“修復(fù)劑”，在催化劑的幫助下，修復(fù)劑涌入裂縫，瞬間彌合。采用這種技術(shù)的輪胎的壽命會(huì)延長(zhǎng)兩三倍。測(cè)試表明，自我修復(fù)系統(tǒng)將受損材料的強(qiáng)度恢復(fù)到原來(lái)75％。

▲法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種可以不借助任何黏合劑就能自我修復(fù)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(jié)構(gòu)混合成超大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而成。一旦這種超大分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被打破而出現(xiàn)碎裂，其中的小分子就會(huì)自動(dòng)重新回到結(jié)構(gòu)中，并表現(xiàn)出原有的彈性。這種新材料的自動(dòng)修復(fù)功能不是一次性的，而是可以重復(fù)實(shí)施多次自我修復(fù)，如果將這種材料扯成兩段，在幾小時(shí)內(nèi)將兩處斷口放在一起，它們?nèi)匀荒軌蝠ず显谝黄稹＿@種新材料的應(yīng)用領(lǐng)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(zhǎng)壽”發(fā)動(dòng)機(jī)等。目前，已有兩大系列的這類新材料產(chǎn)品準(zhǔn)備投放市場(chǎng)，如不變形的超級(jí)瀝青和有強(qiáng)抵抗力的超大分子結(jié)構(gòu)的塑料制品。

▲美國(guó)科學(xué)家利用樹(shù)脂和碳纖維等物質(zhì)合成了一種能感知裂縫并自動(dòng)修理裂縫的新型合成材料。這種材料具有一定的導(dǎo)電性，如果材料中出現(xiàn)裂縫，裂縫附近的電阻就會(huì)增強(qiáng)，從而可以感知裂縫。同時(shí)，裂縫附近會(huì)因電流產(chǎn)生熱量，使材料中一種低熔點(diǎn)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(huì)快速凝固，裂縫部位就得到修理，強(qiáng)度可恢復(fù)到原有水平的近一半。

▲飛機(jī)和飛船使用時(shí)間長(zhǎng)了，外殼會(huì)出現(xiàn)小孔和裂縫，機(jī)械師在例行維護(hù)檢查中也能發(fā)現(xiàn)此類問(wèn)題。不過(guò)，英國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種特殊的復(fù)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(shù)脂。一旦有空洞或裂縫出現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂就會(huì)流出來(lái)，封住破裂處。研究人員給環(huán)氧樹(shù)脂加上顏色，使機(jī)械師更易于發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)處，以便進(jìn)行永久性修復(fù)。這種方法能處理肉眼很難看見(jiàn)的微小損傷，為受“微傷”的飛機(jī)和航天器消除隱患。研究人員認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)在4年內(nèi)投入商業(yè)使用。

▲美國(guó)科學(xué)家最近發(fā)明一種可自動(dòng)愈合消除劃痕的涂料。只需陽(yáng)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(dòng)消失無(wú)蹤，汽車油漆可能被恢復(fù)到新車的程度。這種材料含殼聚糖。殼聚糖是來(lái)自蟹殼、龍蝦殼、蝦殼和叫作氧雜環(huán)丁烷的一種有機(jī)化合物。當(dāng)涂層被劃后，氧雜環(huán)丁烷的環(huán)就會(huì)被破壞，化學(xué)反應(yīng)活性部位就會(huì)被暴露。紫外線會(huì)爆裂殼聚糖分子，另一反應(yīng)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(jié)和閉合劃痕。這種自我修復(fù)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(pán)、太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(méi)有感覺(jué)。現(xiàn)在，很多國(guó)家的科學(xué)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(guó)科學(xué)家約翰·西姆普森博士說(shuō)：“通過(guò)運(yùn)用碳納米管技術(shù)，我們?cè)斐龅娜嗽炱つw不但可以接近真實(shí)皮膚特性，甚至可以超越這些特性。”他們使用納米管的原因是因?yàn)橛善渲瞥傻牟牧嫌泻芏嘤杏玫奶匦浴＠纾{米管制成的材料可以作為溫度和壓力傳感器、柔軟的電導(dǎo)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(huì)引起人體免疫系統(tǒng)的排斥，避免人體的不良反應(yīng)。將來(lái)，科學(xué)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(guó)科學(xué)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(guó)宇航局的專家將傳感器植入機(jī)器人的皮膚覆蓋層中，可使機(jī)器人更出色地完成太空探索任務(wù)。研究人員后來(lái)還研制了能夠產(chǎn)生壓覺(jué)和溫覺(jué)的機(jī)器人皮膚。日本東京大學(xué)的研究員最近研制出一種既能導(dǎo)電，又能像橡膠一樣伸縮的新材料，并用此材料制成機(jī)器手。這種新材料伸縮性能非常好，同時(shí)由于利用了導(dǎo)電性能好的“單層碳納米管”，使材料的導(dǎo)電率很高，即使將其拉伸，導(dǎo)電率也不會(huì)發(fā)生改變。運(yùn)用這種材料，可以使得機(jī)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(yīng)用到我們的日常生活中，將會(huì)使人類的生活發(fā)生巨大的變化。(文章代碼：1611)

責(zé)任編輯蒲暉