高科技時代的智能材料

不久以后，智能材料將普遍地在我們的生活中出現(xiàn)。

鋼筋、混凝土、塑料、木材等材料，人們再熟悉不過了，它們中大多是沒有知覺沒有反應(yīng)的“死”材料。它們只能被人所感知，自己無從感知外界情況：在出現(xiàn)“危機(jī)問題”時，它們不能告訴人們，也沒法修理自己，只能“坐以待斃”。如今，一些“活”材料正逐步走進(jìn)我們的生活，并將改變我們的生活。這就是聰明絕頂?shù)闹悄懿牧稀?/p>

大體來說，智能材料就是能感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，根據(jù)不斷變化的外部環(huán)境和條件，及時地自動調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)和功能，并能相應(yīng)地改變自身的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化做出恰如其分的響應(yīng)的材料。簡單地說，就是智能材料要具備“發(fā)現(xiàn)故障”和“自我修復(fù)”的功能。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。為了“活”起來，智能材料系統(tǒng)要具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應(yīng)功能、自我診斷能力、自我修復(fù)能力、自我調(diào)節(jié)能力等。

不要以為智能材料離我們很遠(yuǎn)，其實(shí)在我們熟悉的變色太陽鏡中就含有智能材料。這種智能材料能感知周圍的光線強(qiáng)弱，當(dāng)周圍的光線很強(qiáng)時，就自行變暗，當(dāng)光線較弱時，就變得透明起來。不久以后，智能材料將普遍地在我們的生活中出現(xiàn)，如智能服裝會自動調(diào)節(jié)大小、顏色和溫度；變形建筑允許主人按一下鍵就能改變自身的形狀，智能窗戶會自動調(diào)節(jié)光線，智能墻壁可以變換顏色，房間和屋頂也能根據(jù)需求而擴(kuò)展、收縮甚至改變外形。

會“報警”的智能材料

有一次，美國一架大型客機(jī)發(fā)生墜機(jī)事件，機(jī)上的270名乘客全部喪生。經(jīng)過檢查，原來是發(fā)動機(jī)上的一顆小小螺釘斷裂造成機(jī)毀人亡。人與動物生病都有前兆，可以及時進(jìn)行預(yù)防、醫(yī)治，但飛機(jī)即使裂開了口子，也不會喊痛。于是有人設(shè)想：如果飛機(jī)在剛出現(xiàn)裂紋還沒有斷裂之前，自己能大呼“救命”，向人類發(fā)出警報，或者在出現(xiàn)裂紋后，自己能立即自動修補(bǔ)并加固，不就可以避免機(jī)毀人亡的悲劇了嗎？

為了實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，曾有科學(xué)家設(shè)想在制造機(jī)翼的高性能復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的光纖，這些縱橫交錯的光纖就如同機(jī)翼的神經(jīng)，可以感受到機(jī)翼上承受的不同壓力。通過測量光纖傳輸光時的各種變化，就能測出飛機(jī)機(jī)翼承受的不同壓力。當(dāng)異常情況發(fā)生時，光纖發(fā)生斷裂，光傳輸中斷，報警裝置便發(fā)出警報，以便使機(jī)組人員及時采取防范措施。科學(xué)家還設(shè)想可以將一種智能材料薄片貼在機(jī)翼上，形成機(jī)翼的“智能皮膚”。這種智能材料的覆蓋層可根據(jù)飛行員發(fā)出的電腦指令改變外形，一旦飛機(jī)的升降舵和方向舵失靈就可取代它們，使飛機(jī)能繼續(xù)正常飛行。

會“修補(bǔ)”的智能材料

2006年8月5日，當(dāng)人們聚集在巴基斯坦馬爾丹市一座大橋上看洪水時，大橋突然坍塌，至少有60人在這起橋梁坍塌事故中被淹死。像這種事故多數(shù)是因材料發(fā)生疲勞斷裂而引起的。為了不讓悲劇再度上演，在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自診其“健康”狀況，并能自行“醫(yī)治疾病”的材料。

在這方面，英國伊利斯諾大學(xué)的研究已經(jīng)有了成效。研究員研制出的一種新型智能混凝土，不是由水泥、沙石加水?dāng)嚢瓒桑前汛罅康目招睦w維埋于混凝土中，在空心纖維里面裝滿了“裂縫修補(bǔ)劑”。一旦公路、橋梁或高層建筑開裂，空心纖維也會隨之開裂，修補(bǔ)劑便從中流淌出來，自行填補(bǔ)在開裂的地方，使之愈合。

會“治病”的智能材料

英國科學(xué)家還在研制一種能讓殘疾兒童借助它“說話”的智能化衣料。殘疾兒童穿上由這種獨(dú)特的電子紡織材料制成的馬甲，連接一個語音合成器，就可以簡單地通過輕拍這種觸敏性材料使別人明白其意思。

在醫(yī)療方面，智能材料還被應(yīng)用于藥物自動釋放系統(tǒng)中。日本東京女子醫(yī)學(xué)院已經(jīng)推出一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。當(dāng)葡萄糖濃度低時，該聚合物會縮成小球；當(dāng)葡萄糖濃度高時，小球則會伸展成帶。借助這一特性，這一聚合物可制成人造胰細(xì)胞。將這種聚合物包封的胰島素小球注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細(xì)胞工作。在血液中的血糖濃度高時，小球會釋放出胰島素，當(dāng)血糖濃度低時，胰島素被密封。這樣，病人的血糖濃度就會始終保持正常的水平。

由于導(dǎo)電有機(jī)聚合物在微電流的刺激下可以收縮或擴(kuò)張，因而具備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的潛力。該類聚合物的導(dǎo)電性使得電刺激可以在整個結(jié)構(gòu)上傳導(dǎo)，這樣，在不破壞聚合物結(jié)構(gòu)的情況下有可能產(chǎn)生較大幅度的形變。這類導(dǎo)電聚合物組成的裝置在較小電流刺激下同樣表現(xiàn)出明顯的彎曲或伸張、收縮能力。目前澳大利亞智能聚合物研究所主要在兩個項(xiàng)目上取得了一些進(jìn)展。其一，通過將導(dǎo)電聚合物涂覆在預(yù)先定性的微纖維上，成功開發(fā)了更有序的聚合物裝置。該裝置可以產(chǎn)生比天然肌肉大15倍的力。計(jì)算顯示，這種導(dǎo)電聚合物纖維最終將可以產(chǎn)生1000倍于天然肌肉的應(yīng)力。其二，研究成功基于碳納米管的聚合物致動器。這種致動器包括高度有序的納米管，當(dāng)電荷加到納米管上或從納米管上卸去時，這些納米管能做出快速的尺寸改變。

會“記憶”的智能材料

你能記得自己剛出生時的情景嗎？不記得吧？若不是聽父母講述，相信記憶力再好的人也不可能記得自己剛出生時的情景。但是有一種神奇的材料卻記得自己“出生”時的樣子，不管人們今后將它弄成什么樣子，只要環(huán)境溫度達(dá)到某個點(diǎn)，它就會“想起”自己“出生”時的模樣，并恢復(fù)本來面目。這種現(xiàn)象被科學(xué)家稱為“形狀記憶效應(yīng)”，具有這種效應(yīng)的合金就被稱為“形狀記憶合金”，或稱為“記憶合金”。

各種衛(wèi)星通過無線電波將信號傳送到地球上，發(fā)射無線電波當(dāng)然離不開天線，令許多人不解的是，衛(wèi)星天線的直徑一般有數(shù)米，而且形狀各異，那么，這些天線是如何被裝進(jìn)小巧的航天飛船里送上太空的呢？原來，這種天線是用具有形狀記憶功能的合金材料制成的。直徑數(shù)米的天線可降低溫度，并壓成一小團(tuán)，然后裝入航天飛船里。當(dāng)天線在太陽光的照耀下溫度升高到記憶溫度時，天線的記憶力被喚醒了，恢復(fù)成“出生”時的樣子。

除了用于制作衛(wèi)星天線外，還有人用記憶合金制成了溫室窗戶自動開閉器。當(dāng)溫室溫度升至25℃時，窗戶自動打開，當(dāng)溫度降至18℃時，窗戶自動關(guān)閉。用記憶合金作支撐架的服裝也很有特色，服裝在水中可以任意揉搓清洗，但當(dāng)它被穿到身上時會自動恢復(fù)原來的形狀。