神奇的智能材料

在人們眼里，被大量利用的各種材料(鋼筋、混凝土、塑料、纖維等)可能是最“笨”的東西。它們只能被人所感知，自己無(wú)從感知外界情況：在出現(xiàn)“危機(jī)問(wèn)題”時(shí)，它們不能告訴人們，也沒(méi)法修理自己，只能“坐以待斃”。但是隨著都市化進(jìn)程的加快，道路、橋梁、建筑物的安全成了人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題。人們不由地想：如果橋梁、建筑物，甚至在空中飛行的飛機(jī)，在其材料斷裂發(fā)生事故之前若能發(fā)出預(yù)警，甚至能自行修補(bǔ)缺陷，那將會(huì)給人以極大的安全感。這一設(shè)想能否實(shí)現(xiàn)呢?為了達(dá)到這個(gè)目的，科學(xué)家們提出了智能材料的構(gòu)想，盡管現(xiàn)在仍處于萌芽階段，但人們已經(jīng)看到了它的巨大潛力。

何謂智能材料?現(xiàn)在還沒(méi)有嚴(yán)格的定義，但一般說(shuō)來(lái)，它指的是能感知環(huán)境條件并做出相應(yīng)“行動(dòng)”的材料。智能材料的行為與生命體的智能反應(yīng)有點(diǎn)類(lèi)似。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，太陽(yáng)鏡片中就含有某種材料，這種智能材料能感知周?chē)墓猓⒛軐?duì)光的強(qiáng)弱做出判斷：當(dāng)周?chē)墓夂軓?qiáng)時(shí)，它就自行變暗；當(dāng)光較弱時(shí)，它又變得透明起來(lái)。

現(xiàn)在，科學(xué)家們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。這方面，美國(guó)伊得諾大學(xué)的研究已初見(jiàn)成效，該大學(xué)建筑研究中心的卡羅琳·德賴(lài)開(kāi)發(fā)出了兩種“自愈合”纖維，這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂縫和鋼筋的腐蝕，粘合裂縫的纖維是用玻璃絲和聚丙稀制成的多孔中空纖維，將其滲入混凝土中，在混凝土過(guò)度撓曲時(shí)，它被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來(lái)充填和粘合混凝土中的裂縫。德賴(lài)開(kāi)發(fā)的另一種纖維能感知造成鋼筋腐蝕的酸度。若把這種纖維包在鋼筋周?chē)?dāng)鋼筋周?chē)乃岫冗_(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層溶解，從纖維中釋放出阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。

此外，在其他各領(lǐng)域也興起了研制智能材料的熱潮。在飛機(jī)制造方面，科學(xué)家正在研制具有如下功能的智能材料。當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到湍流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料能迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除湍流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平穩(wěn)飛行。這方面的研究還未獲得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，現(xiàn)在只是有人設(shè)想將光纖埋入機(jī)翼中，正常情況下，光能通過(guò)光纖從機(jī)翼的一側(cè)傳到另一側(cè)，當(dāng)機(jī)翼出現(xiàn)應(yīng)力或裂痕時(shí)，經(jīng)光纖傳播的光線(xiàn)的位置會(huì)偏離，甚至光還可能被遮斷。根據(jù)傳播光線(xiàn)的變化，計(jì)算機(jī)可以算出機(jī)翼中的應(yīng)力或劈裂狀況，從而向駕駛員進(jìn)行險(xiǎn)情預(yù)報(bào)。此外，還有人設(shè)想用智能材料制成涂料，涂在機(jī)身和機(jī)翼上，當(dāng)機(jī)身或機(jī)翼內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)，涂料會(huì)改變顏色，以此報(bào)警。

今天，塑料產(chǎn)品幾乎遍及我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面。它們?cè)谛l(wèi)生、醫(yī)療、服裝、交通、家居、通信、能源和包裝等領(lǐng)域扮演著重要角色。而澳大利亞智能聚合物研究所目前正在研究開(kāi)發(fā)一種新型塑料。這種塑料可以導(dǎo)電，可以反映周?chē)h(huán)境變化的情況，并發(fā)生相應(yīng)的改變。基于這些智能材料的特殊性能，這方面的研究被引入到一系列具有創(chuàng)新性的應(yīng)用領(lǐng)域之中，其中包括化學(xué)和生物化學(xué)檢測(cè)、人工肌肉、手性藥物的分離、受控藥物釋放系統(tǒng)等。

目前對(duì)小型現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和在線(xiàn)檢測(cè)傳感器的需求量在不斷的增長(zhǎng)，其應(yīng)用領(lǐng)域包括食品生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、化工加工、金屬制造和醫(yī)學(xué)診斷。然而現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備在靈敏度、選擇性、費(fèi)用和實(shí)地可操作性方面都很不完善。導(dǎo)電塑料的發(fā)現(xiàn)和它們后來(lái)用于化學(xué)合成物質(zhì)的檢測(cè)使得傳感技術(shù)的發(fā)展成為可能。澳大利亞智能聚合物研究所設(shè)計(jì)了一系列聚合物傳感器，使得傳感器上每一單元都唯一對(duì)應(yīng)于一定范圍的化合物，然后使用簡(jiǎn)單的軟件模式識(shí)別程序來(lái)分析所獲得的數(shù)據(jù)組。這種“電子鼻”既可以判定也可以迅速對(duì)低濃度香味、臭味和其他揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行定量分析，主要用于探測(cè)、分析低濃度環(huán)境毒素。

在醫(yī)療方面，智能材料還被應(yīng)用于藥物自動(dòng)釋放系統(tǒng)上。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。葡萄糖濃度低時(shí)，該聚合物會(huì)縮成小球，葡萄糖濃度高時(shí)，小球會(huì)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，血液中的血糖濃度高時(shí)，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時(shí)，胰島素被密封。這樣，病人的血糖濃度就會(huì)始終保持正常的水平。

由于導(dǎo)電有機(jī)聚合物在微電流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(lèi)聚合物的導(dǎo)電性使得電刺激可以在整個(gè)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(lèi)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。因此，它們有著廣泛的潛在用途，在諸如機(jī)器人(如輕型齒輪、杠桿、風(fēng)擋雨刷等)、假肢裝置和微型泵等方面可以一展身手。目前澳大利亞智能聚合物研究所主要在兩個(gè)項(xiàng)目上取得了一些進(jìn)展。其一，通過(guò)將導(dǎo)電聚合物涂覆在預(yù)先定性的微纖維上，澳大利亞智能聚合物研究所成功開(kāi)發(fā)了更有序的聚合物裝置。該裝置可以產(chǎn)生比天然肌肉多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倍于天然肌肉應(yīng)力。第二項(xiàng)進(jìn)展為第一臺(tái)基于碳納米管的聚合物致動(dòng)器。這種致動(dòng)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(shí)，這些納米管能做出快速的尺寸改變。

英國(guó)科學(xué)家還在研制一種能讓殘疾兒童借助它“說(shuō)話(huà)”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(gè)語(yǔ)音合成器，就可以簡(jiǎn)單地通過(guò)輕拍這種觸敏性材料使別人明白他的意思。把這種材料與適當(dāng)?shù)碾娮觾x器連接起來(lái)，將帶來(lái)新型外衣的問(wèn)世。把電話(huà)主板集成在襪子里以提醒穿著者新鞋子是否會(huì)磨腳，或者將其放入袖子里，乃至足球衣中，讓裁判知道何時(shí)被人拉扯過(guò)。可以用該材料制成地毯，以檢測(cè)走過(guò)它的“入侵者”；或者制成汽車(chē)坐墊，能感受乘客體重的分布，調(diào)整合適的承受力，也可制成裝有電視遙控的扶手椅。

目前，該研究組織正在把大部分精力投入醫(yī)療保健應(yīng)用領(lǐng)域，用這種布料制成的馬甲幫助殘疾兒童(如孤僻或腦癱瘓者)與他人交流。這些兒童只需簡(jiǎn)單地輕拍外衣上不同的部位就可以傳達(dá)不同的信息。信息通過(guò)紅外信號(hào)傳給聲音合成器或電視屏幕。

這種材料是用普通的布料和一種獨(dú)創(chuàng)的導(dǎo)電網(wǎng)狀飽和碳纖維制成。當(dāng)布料受壓時(shí)，通過(guò)導(dǎo)電纖維的低電壓信號(hào)發(fā)生變化，一個(gè)簡(jiǎn)單的電腦芯片就可以精確地指出面料的哪個(gè)部位被觸摸。它還可以觸發(fā)任何與其相連的、體積不超過(guò)兩個(gè)火柴盒大小的電子設(shè)備。這種材料可以洗滌，裹在別的東西外面或者揉搓都不會(huì)損壞，它可以低成本地大批量生產(chǎn)，已有多家跨國(guó)公司希望能在以后的產(chǎn)品中使用這種布料。該材料也引起了藝術(shù)家的興趣，期望能利用它非凡的特性帶來(lái)藝術(shù)上的創(chuàng)新。

雖然關(guān)于智能材料方面的研究有待于進(jìn)一步深入，但我們有理由相信，它的發(fā)展前景將是無(wú)限廣闊的。

[責(zé)任編輯] 蒲 暉