環境識別與表面智能化——創建表面技術新領域

劉仁志

劉仁志，教授級高級工程師，武漢風帆表面工程股份有限公司首席技術顧問。中國表面工程協會電子電鍍專業委員會副主任委員、電鍍分會技術委員會委員、中國電子學會電鍍專家委員會常務委員、武漢《材料保護》雜志編委、天津《電鍍與精飾》雜志編委、中表協《中國電鍍》雜志編委。自1980年起在國內外表面處理專業雜志發表技術論文100多篇，出版專著近20部。參加和主持過多項電鍍工藝的開發和應用推廣工作。申請并獲得了20多項涉及多個專業的中國專利。是本行業著名的表面處理技術專家。

0 前 言

在復雜多變的國際形勢下，我國科技界正承受著巨大壓力。現實讓我們充分認識到，只有堅持走科技強國之路，才是最根本的應對措施。而科技要強，唯有創新。各學科都奮起創新，敢做“第一個吃螃蟹”的人，就一定能夠沖出圍城，創建新天。而當走向創意的藍海，就會發現那里前程無限，大有可為。表面工程技術的藍海，更是極具吸引力，值得同業去開拓。

無論二維還是三維物體，都具有多個表面。表面既是物體的視界，也是物體與環境傳遞信息的界面。作為視界，我們在傳統上重視的是對表面的裝飾，這導致形成一個涉及多個領域的龐大的產業，不只是工業價值，還具有藝術價值。作為信息界面，我們重視的是對其進行保護或增強。這個方面涉及的領域，建立起了表面工程的廣大產業群，使表面工程技術在現代制造中成為一個重要的產業集群，包括了從涂裝到表面物理、化學沉積，從電鍍到表面轉化膜以及各種表面修飾與強化技術，催生了許多新材料與新技術，在實現表面性能增強的同時，也對產品整體性能有極大提升。放眼汽車、飛機、艦船制造，無不要用到表面工程技術，并且表面工程技術在這些重要產品的性能保障中具舉足輕重的地位。更不用說日用五金、家具家電，全都少不了表面工程技術，足見表面工程技術是現代制造的支柱產業之一。

不可否認，表面工程技術既是為了提升制品在環境中的性能與壽命，又在生產過程中不可避免地對環境造成污染。這從涂裝到電鍍等行業受到的嚴格環境法規監控就可以看出。這種嚴控措施對于保護環境是必需的，但也確實對行業生存帶來很大壓力，更使愿意從事這個行業的人員越來越少，這對希望發展和強化表面工程技術領域是不利的。應對這種形勢不僅要正確評價表面處理行業在工業產業鏈中的定位，制定實事求是的管控措施，還要在大專院校和研究院所設立更多創新專業和課題，以吸引更多學子進入這個領域，去開疆拓土，開發更多環境友好的表面工程新技術和新產品。

正是本著這一思維，本文擬對表面工程技術創新領域可以開發的課題提出一些構想，供同行參考。

1 環境與表面

表面是界面中的一種。多指物相（氣、液、固）與氣相接觸的界面。由于我們生存環境主要是在大氣層內，而固體物質是人類日常應用最多的物質，因此，物體表面成為表征物體性能的重要界面。

大氣環境既是人類生存的空間，也是地球表面物體存在的空間。地球大氣的構成以氮和氧為主，雖然氧在大氣成分中只占20%，但是其氧化作用卻是十分明顯。金屬的生銹，就是一個典型的例子，也因此產生了金屬防腐專業。當然不只是金屬有氧化現象，氧化是自然界普遍存在的現象，并且總是從表面的變化開始。在大氣環境中，所有材料都存在氧化問題，因此材料表面防護是一項重要工程。傳統的表面技術是表面保護為主流的技術，當然也包括大量裝飾和功能方面的技術。隨著環境的演化和材料的進化，表面技術面臨新的挑戰。而一個更重要的原因，還在于對表面的性質認識的深入。當我們對表面有了更深入的認識，就會催生出新的構想。

說到環境，不只是大氣環境對環境中的事物有影響，即使是宇宙環境，也是充滿物質的相互作用。我在2017年第5期《表面工程與再制造》發表的“宇宙環境與材料保護”一文，對宇宙環境對材料的影響有過詳細討論。現在，我國的火星探測飛船正奔向火星，外星環境對材料的影響，也必將成為表面工程的重要課題。

對表面性質的新認識，源于對物質與意識的關系的研究。這個原來是哲學領域的具有爭議的一個問題，當我們以物質結構科學來重新研究時，得出所有物質都是有意識的結論雖然驚人，卻并不意外。希望詳細了解這一構想的讀者可以參閱我的《光子信息》一書（化學工業出版社，2019年2月）。

我們都知道物質有三態，即固態、液態和氣態。物質在這三態之間是可以變化的。而最常見和最容易理解的物質三態的變化，莫過于水了。水在不同溫度下分別呈現液態、固態和氣態，是所有人都知道的常識。至于水為什么會有這些變化，為什么在不同環境（溫度等），會自己變成不同的形態？這正是水對環境具有意識的表現。意識是物質對環境的感知，物質據此做出相應變化以適應新環境。顯然，表面是感知環境（特別是溫度）變化的最敏感的區域。我們由此可以定義表面是物質與環境進行信息交換的界面。這是對表面性質認識的深化。表面的這個新定義給表面工程技術研究拓展了視野和空間，是值得深入探討的。

物質具有意識源于物質世界具有的自組裝性質。宇宙中存在進化這個事實已經由我們地球的存在所證實。自然的總趨勢是向更好進化，無論過程多么復雜，結果總是趨好，這是我們應該是樂觀主義者的最大理由。例如分子熱運動即所謂“布朗運動”一直被定為分子無序的證明。但是真實的情況卻是分子在做自組裝的運動，最終會形成有序的結構，例如形成水簇。這其實并非新發現，而是諾貝爾獎得主比利時物理化學家和理論物理學家普里戈金提出的耗散結構理論。

這個理論有一個簡潔的基本公式： dS = deS + diS

按照普里戈金的意思，它表達的是這樣的一個基本思想，一個遠離平衡的開放系統，通過與環境進行物質、能量和信息的交換即通過物質、能量和信息的耗散，從而就可能自發組織起來，實現從無序到有序的轉變，形成具有一定組織和秩序的動態結構。這里強調的是，通過交換和耗散，只要從環境引入的負熵(deS)大于系統的自發的熵增(diS＞0)，系統整體上就可以實現熵的減少： dS=deS+diS＜0

當系統進入非平衡態，其中的非線性相互作用得以表現出來，就可能形成新的有序結構。

就物質結構體而言，表面正是發生能量和信息交換的區域，而當我們對表面有了深入的認識，對表面進行各種處理的基礎就更加牢固。創新思維也因此油然而生。

2 表面的智能化

基于對表面的新認識，我們對材料表面的研究和應用就有了新的方向和新的課題。其中一個重要的課題，是表面的智能化。

廣義地講，意識也是一種智能。但是，我們現在談論的當然是人工智能。這個是當代最熱門的話題，早已經不只是科學幻想的題材。

人工智能的硬件系列中，傳感器是一個重要的領域。收集環境信息是傳感器的重要功能。模仿眼睛的攝像機鏡頭是目前讀取各種形象信息的重要傳感器，而常用的溫度計則是最簡單的傳感器。現在檢測氣體、物質成分、質量變量、震動等各種環境變化的傳感器都應需而生。這些各種各樣功能的傳感器研制，都需要相應的科學技術支持，包括表面科學與技術。

傳感器是智能化系統的一個極為重要配置，由此派生出一個重要的產業。傳感器的靈感來自仿生學。人類幾乎所有的感知器官都被用來啟發開發相應的傳感器，從視覺到嗅覺，都是如此。而說起表面的感知功能，人類的皮膚也是極為敏感的傳感器。表面技術的一個重要的課題，就是模仿皮膚的感知功能。從而對環境溫度、濕度、氣壓等做出偵測。這類表面材料在可穿戴智能電子產品中將具有廣泛用途。

當然，對表面性能的新功能的要求，源于新產品開發的需要。在機器人產業越來越發達的當代，仿生機器人的研制一直是各國關注的領域。智能化時代的典型和代表產品，就是各種機器人。而機器人是大量采用傳感器的智能產品，其表面具有感知環境的功能，將是一個持續研發的課題。機器人的表面某些特定區域需要具有信息交換功能，特別是對環境的偵測。例如包括用手指測試環境或物體的溫度、酸堿性、硬度等，以確定某些操作的安全性或采取相應的措施。這些可以在機器人局部例如手指貼裝功能性表皮。

采用蒙皮或貼片的方式改善表面功能已經是表面工程中的一項有效的技術，這種技術其實在表面防護和功能化中早已經有應用，著名的如美國航天飛機的陶瓷貼片、戰斗機的防雷達涂料和蒙皮等，都是早已應用的技術。因而，開發各種智能表面技術，包括智能表面高分子化學品，是強化表面處理技術的重要領域。

3 創新構想

表面新定義會帶來很多創新構想，只要持續和深入探討，會有很多值得探究的課題，出現一些新的學科交叉領域。這里僅只舉幾個簡單的例子。

3.1 涂料領域

表面處理工程技術涉及的加工工藝種類繁多，應用也非常寬泛。從機械方法到物理方法、化學方法、物理化學方法等，各有所長，也都有一定局限。如果從應用廣泛和施工方便角度，涂料技術應該是首屈一指的。事實上涂料技術也取得了非常驚人的進步和發展。一個最重要的進步是涂料的溶劑從油性到水性的轉變。當然涂料的色彩和品種也是千姿百態，從建筑到家具，從汽車到飛機，涂料的應用深入到社會各個場景。如果再加上染料技術，可以說世界因涂料而美麗。涂料不只是美化表面和外觀，而且是保護表面的衛士，更是增加表面各種功能性的重要涂層。而這種賦予表面新功能的涂飾技術，就有很大的創新空間。

例如為使某些設施或艦船、飛機不被雷達等微波探察發現的一種偽裝涂料。它能將入射雷達的輻射能吸收、散射，使雷達波不大量反射而達到隱蔽目標的目的。主要由基料和填料組成。常用的基料有天然和合成橡膠（氯丁、丁基橡膠等)、瀝青、醇酸、聚氯乙烯、聚氨酯樹脂等，主要起黏合作用。填料是吸收雷達波的主要成分，由特制的MgO、FeO、Fe2O3、ZnO等的鐵磁性材料組成，具有能連續吸收入射波的棱形結晶，并有一定的孔隙度，以利于內層吸收和造成由于入射波與反射波間發生干涉作用而產生波的散射，使反射回去的雷達波不超過入射波的10%-20%。這樣就起到了保護軍機不被敵方雷達發現的作用。還有一種示溫涂料，應用到高速運轉的易產生熱量的運動件上，可以在溫度達到某一臨界值時發生顏色變化，從而直觀地提示溫度超標，起到傳感器的作用。至于熒光涂料，在交通道路和標志上早就廣泛在世界上應用。還有導靜電涂料、殺細菌涂料等，這些都可以說是功能性涂料的例子。而下一代涂料，應該是向智能化發展。

目前已經流行在涂料的填料中使用納米材料，這也可以說是通向涂料智能化的一個路徑。實際上，涂料的智能化，很重要的一個因素，就是填料的智能化。例如，研究適合與相應介質配合的超分子填料，對實現自修復和多種信息載體的表面技術構想是可行的。

近30年來，零維、一維到多維結構的超分子配合物的研究已引起人們的廣泛興趣。在N a t u r e，Science，J.Am.Chem.Soc.和Angew. Chem.，Int.Ed.等雜志上報道這類化合物研究的文章逐年增多，涉足的學科遍及配位化學、有機金屬化學和材料化學等多種化學學科以及生物學、物理學等自然學科領域。毫無疑問，這一類化合物的研究已經成為當今多學科前沿領域研究的交匯點。由此也誕生了一門專業學科，即超分子材料學。

一個有趣的現象是，被電鍍領域視為重要有毒物的氰化物離子，在超分子研究中扮演了重要角色。研究表明，氰根陰離子不僅能連接多種金屬原子組裝成不同維數的超分子配合物（即以前教科書中說的絡合物），而且能夠形成電子交換通道傳遞各順磁中心電子間的磁相互作用。對在3d、4d、5d及4f金屬離子的超分子配合物解析其單晶結構，可以得到零維、一維、二維、三維到三維穿插多種拓撲結構的超分子配合物。其中有些化合物具有三維納米孔洞。

隨著超分子配位化學和材料科學的發展，分子磁體的設計合成與研究成為近來最引人關注的課題。氰基橋聯配合物以其獨特的光化學和物理性質使得它在該領域占有尤為重要的地位。現在，超分子研究已經成為大學相關學科的重要專業，其應用前景十分廣泛。

3.2 電鍍領域

超分子材料具有自組裝和自修復性能，這種性能對表面處理工程領域具有重要的意義。表面處理技術界對這一領域的研究，值得關注和深入探討。這也不僅僅是從涂料角度的關注，從配合物化學角度、從化學轉處理角度、從電鍍添加劑角度等，都可以從中找到切入點和受到相應啟發。例如，從分子結構上尋找類似于氰根的無氰分子結構，將擴展以前局限于絡合物常數的為標的研究方向，采用超分子結構的配體，有可能開發出電鍍新的鍍液，實現新鍍層特別是合金鍍層的開發。

與傳統冶金技術相比，電沉積金屬合金技術即濕法冶金技術有顯著優勢。目前已經能夠獲得的合金鍍層達60多種，而研發過的合金品種達260多種。新型電鍍用化學助劑的開發有利于達成原來電沉積困難的金屬在特定工作液中共沉積，甚至可以直接在鍍槽中完成雙金屬層的電沉積，這都是極有應用價值而又具有挑戰性的課題。

電鍍添加劑技術已經大大改進了電沉積過程，特別是在多層印制板和芯片制造的中的應用引人關注。在微電子制造與互連中，實現原子級別的增量制造對電沉積過程中電子躍遷的隧道非常重要，研制具有橋接作用的表面活性劑，將有利于電子有序進入離子空軌而形成致密金屬結晶。基礎理論方面的深入發展，也同樣對電鍍技術創新有積極的推動作用。

3.3 功能性分子膜

超分子的各種化學應用中，分子器件技術是一個引人注目的領域。例如我國已經研制出單分子電子開關器件。北京大學分子科學國家實驗室的科學家以石墨烯為電極、通過共價鍵連接來穩定單分子器件的關鍵制備方法，突破性地構建了一類全可逆的光誘導和電場誘導的雙模式單分子光電子開關器件，這是世界上首個真實穩定可控的單分子電子器件。這種單分子電子器件在未來高度集成的信息處理器、分子計算機和精準分子診斷技術等方面具有巨大的應用前景。分子膜技術已經在一些領域中應用，而功能性分子膜將拓展這一應用領域。例如光電功能膜，可以將光能轉化為化學能。這方面的研究已經在進行中，例如多層的有機-無機薄膜成功地產生了光電流。

將分子器件技術引進表面技術，例如研制功能膜，是極有意義的課題。這個領域同樣受到仿生學的影響。例如葉綠素的光合作用，可以考慮用超分子結構模擬某些光化學轉化過程。

超分子的三維納米孔的一個性質也是特別重要的。這種材料制成的膜可以具有某些存儲與釋放功能，根據對環境的偵測而做出相應的表面反應。

正如前所述，對于表面的智能化技術研發的膜技術，既可能是涂料模式，更可能是膜材料產品。這是因為分子器件的構造需要有一定的成型條件和環境。在溶劑中隨機生成的有效性將難以控制。因此，采用蒙皮或貼片工藝，可以對這類膜技術的應用是有益的。特別是在較大體積構件或復雜造型需要的表面，進行貼裝加工更為方便。貼裝功能膜可以在多種場合應用，特別是臨時需要而又不可能拉到生產線去施工的制件，這種表面處理工藝就可以一顯身手。

4 展 望

作為與環境進行信息交換的物質表面，對環境進行識別并根據獲得的信息作出相應反應或將信息傳達到執行機構，是表面智能化的最重要的應用。研究和開發具有這種功能的表面技術和產品，是表面技術創新的一個重要領域，值得關注和投入研發力量。跟進這一進展，會產生系列表面新技術和新的應用場景。這需要多學科的交叉配合和集中優勢資源持續攻關。隨著各種新材料和膜技術的發展，特別是基礎研究和科學原理方面的深入，表面微觀結構與性能的相關性更加顯現，這對表面技術創新有極為重要的推動作用。這也是需要重視基礎理論研究的一個重要理由。

一個值得關注的領域是仿生表面。正如我們在前面已經提到的，仿生表面的功能是模仿皮膚的感知功能。這種表面不僅可以感知環境參數變化，將信息轉達到執行組織，而且在受到環境侵害時具有自修復能力，還可以在需要的時候發生表面狀態例如顏色的變化，就像變色龍一樣。進一步，表面與環境的互動中，不只是被動的接受信息，還可以主動發出信息，就如一種智能顯示屏。

總之，在深入認識了表面與環境的關系以后，創意會有如泉涌，從而令人有將奇思妙想付諸實施的沖動。不可否認，好奇心也是推動科學技術進步的一種動力。