帶有科幻色彩的柔性金屬

你是否還記得電影《終結者2：審判日》中T-1000機器人的“液態金屬”形態？它可以隨意改變形狀、穿越狹小縫隙，甚至在被擊中后，傷口也能迅速復原。這樣的流動性和重塑能力展現了柔性金屬的某些特性，預示了柔性金屬在未來的極致應用。而在《銀翼殺手2049》中，柔性金屬不僅應用于建筑表皮，可自動調節透光率、有保溫性能，還是可穿戴設備的核心材料，在功能性之余提供了前所未有的舒適度。可以說，科幻電影中與高科技材料相關的暗示和想象，總能引發人們的無限憧憬。它與人類智慧的結合，似乎正在塑造更奇妙和不可預測的未來。

近年來，隨著科學研究的不斷深入，中國西安交通大學研發出一種叫做“雙馬氏體種子應變玻璃”的柔性金屬材料，它的問世讓科幻逐漸走向現實。這是一種怎樣的材料？我們一起揭開這種帶有“科幻”色彩的材料的神秘面紗。

既“強”又“柔”是怎樣做到的？

科學家們一直夢想著發明一種完美材料，既有鋼鐵般堅硬的質地，又有塑料般柔軟的特性。這一追求源于材料科學領域的一項基本挑戰：通常情況下，高強度與高柔性被視為相互矛盾的特性，很難在同一材料中并存。

傳統金屬材料以卓越的強度著稱，但在需要柔性和可變形性的應用場景中卻顯得“力不從心”。以航空領域為例，飛機機翼在起飛和著陸時需要展開，以獲得足夠的升力，而在高速飛行時需要收起，以降低空氣阻力。這要求所用材料既能承受巨大的機械應力，又要具備良好的形變能力。另外，隨著可穿戴設備和柔性顯示屏技術的發展，柔性電子領域對材料的要求也日益嚴苛。理想的材料要輕薄、柔軟、易彎曲，同時，不失強度和耐久性。這樣的需求讓傳統金屬材料的局限性進一步凸顯——它們無法兼顧強度與柔性這兩大關鍵屬性。

“雙馬氏體種子應變玻璃”（DS-STG）合金讓我們看到了希望的曙光。那么，這樣神奇的材料是如何誕生的呢？研究團隊精心設計了獨特的 “三步熱機械處理工藝”：第一步，先對商用鈦鎳合金進行大的拉伸變形處理；第二步，在300℃的環境下保溫10分鐘；第三步，再次進行小程度的拉伸變形處理。經過“三步法”產生的 DS-STG合金，是一種介于應變玻璃和馬氏體之間的特殊狀態。該狀態下的材料展現出的超柔特性，借助了“雙馬氏體種子”和應變玻璃之間在外力下的相互轉變以及多馬氏體狀態的異常彈性效應。該性能可以在零下 80℃至零上80℃的寬溫域保持。DS-STG合金具有高達1.8 GPa的超高強度，遠超眾多現有的超高強度鋼。10.5 GPa的彈性模量賦予它極佳的柔性，可以與許多有機材料媲美。令人驚嘆的是，DS-STG合金能在接近8%的彈性應變范圍內自由彎曲而不產生永久變形，強度與柔性的完美平衡讓它可以被稱為真正的柔性金屬。

卓越性能帶來無限可能

在材料科學領域，很多高科技材料憑借卓越性能脫穎而出，吸引了無數科研人員的目光。然而，這些材料的廣泛推廣和應用卻常受到高昂成本和復雜制造過程的制約。以“高熵合金”為例，它具有出色的力學性能，包括高強度、良好的塑性和斷裂韌性，是當前研究的熱門方向。但遺憾的是，它的規模化生產難度大且成本不菲，特別是在采用激光熔化這樣的增材制造技術時，需要對激光功率、掃描速度及氣氛條件等參數進行精確控制，以確保材料的均勻性，避免產生缺陷。這無疑加劇了生產成本，限制了其大規模應用的可能性。相比之下， DS-STG合金的制造工藝經濟實惠，“三步法”制備流程不僅省去了高昂的成本投入，使用的基礎合金原料也普遍易得，完全能實現大規模生產。可以預見，DS-STG合金的經濟性優勢將使其在市場競爭中脫穎而出。

為了更深入地了解DS-STG合金的性能特點，研究人員精心設計了對比實驗，將其與“彈簧鋼”和“纖維增強塑料”在不同負載條件下的表現進行了比較。在輕微負載時，彈簧鋼展現出了極高的剛性，而DS-STG合金的彎曲程度與纖維增強塑料相近。當負載逐漸加重至1.02kg時，彈簧鋼雖發生了明顯形變但并未斷裂，而纖維增強塑料卻在承受0.52kg的負載時就出現了斷裂。只有“優秀選手”DSSTG合金在這兩種負載條件下保持了良好的完整性，展現出卓越的強度和極強的柔韌性，這為它今后在多個領域發揮巨大的應用潛力奠定了基礎。

在航空航天領域，該合金可用于制造能夠根據飛行狀態自動調整形狀的變形機翼，提高飛行器的飛行效率和穩定性；在機器人技術領域，它可以作為超強人工肌肉的原材料，使機器人具備更靈活多變的運動能力；在醫療領域，它可用于制造能匹配人體組織變形的植入物，為患者帶來更舒適、安全的治療體驗。

科技之光照亮未來之路

回望過去的科技發展歷程，我們可以清晰地看到，每一次科技的飛躍都離不開新材料的發現與應用。以被譽為“新材料之王”的“高性能碳纖維”為例，它的強度能達到鋼的7-10倍，密度卻僅為鋼的四分之一。這樣的特性使其在飛機制造領域大放異彩，通過顯著減輕飛機重量，實現了燃油的節省和能效的提升。同樣引人注目的還有第二代“高溫超導材料”，它有力地支撐了世界首條35千伏千米級高溫超導電纜示范工程的成功運行，這一突破推動了電力傳輸效率邁向新的高度。此外，“超純硅”“砷化鎵”這兩種材料的研制成功，更是為大規模和超大規模集成電路的誕生奠定了堅實基礎，使計算機的運算速度從每秒幾十萬次飆升至每秒百億次以上，開啟了計算技術的新紀元。

DS-STG合金的研發是材料科學的又一次重大突破，更是人類智慧與創新精神的結晶。它克服了傳統材料在強度和柔性之間的矛盾，將為未來的科技發展提供支持，給我們的生活帶來更多便利與驚喜。伴隨這種新型合金的逐步推廣和應用，更安全、高效、智能的世界正在向我們奔來。

作者單位 西安交通大學前沿科學技術研究院