直接用原子制造出新材料——美正在研發(fā)新材料制造的系列方法

研究發(fā)現(xiàn)，材料在納米水平(接近原子尺度) 上所表現(xiàn)出的特性很難保留和開發(fā)。事實(shí)上，接近原子尺度材料具有的獨(dú)特和潛在的電氣、光學(xué)和可拉長性質(zhì)，在使用常規(guī)的工藝方法制造成毫米級或厘米級材料和系統(tǒng)后，往往會消失。如何將原子尺度所具有的極具應(yīng)用價(jià)值的材料特性保留下來，是目前材料科學(xué)界攻關(guān)的難點(diǎn)。

美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA) 最為重要的組成機(jī)構(gòu)——國防科學(xué)辦公室(DSO) 宣稱，該局已經(jīng)設(shè)立一系列研究項(xiàng)目，以期盡快實(shí)現(xiàn)將原子尺度所具有材料特性保留下來這一目標(biāo)。從下面這些具體研究項(xiàng)目中，或可見未來新材料研究方向轉(zhuǎn)變的端倪。

原子到產(chǎn)品(A2P)

“原子到產(chǎn)品”研究項(xiàng)目的目標(biāo)是：研制出一種裝配方法，使制造出的大尺度材料、組件和系統(tǒng)能夠保留納米級材料的性能。

目前，科學(xué)家在研制新材料時(shí)大多使用不同的“混合、加熱和組合”方法，DARPA 項(xiàng)目經(jīng)理邁因說：“現(xiàn)在我們正使用一種完全不同的方法，即從單個(gè)原子開始，直接將它們裝配成納米結(jié)構(gòu)，然后再將這種納米結(jié)構(gòu)組裝成更大的微器件。”他指出，“原子到產(chǎn)品”項(xiàng)目組已擁有控制納米尺度組裝的新方法，可以非常快速地生產(chǎn)建造出具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的先進(jìn)微器件。

具有可控微結(jié)構(gòu)架構(gòu)材料(MCMA)

DARPA 還在研究另一種方法，以制造出具有特殊功能的新材料，該項(xiàng)目名為“具有可控微結(jié)構(gòu)架構(gòu)材料”。MCMA 正在尋求控制材料微結(jié)構(gòu)架構(gòu)的方法，以改善結(jié)構(gòu)效能，實(shí)現(xiàn)那些傳統(tǒng)上在單一物質(zhì)中難以同時(shí)獲得的功能，如鋼的力度和塑料的重量。

材料轉(zhuǎn)換(MATRIX)

控制材料內(nèi)部納米構(gòu)架的一個(gè)潛在好處是，可以使材料自己實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)或能量轉(zhuǎn)化，并有效轉(zhuǎn)變成器件，這也是DSO“材料轉(zhuǎn)換”項(xiàng)目的最終目標(biāo)。與A2P類似，它是為轉(zhuǎn)換開發(fā)出一種新材料，實(shí)現(xiàn)從一種形態(tài)到另一種形態(tài)的能量轉(zhuǎn)換，以便在器件和系統(tǒng)水平實(shí)現(xiàn)新材料的有用功能。材料轉(zhuǎn)換對于海陸空和太空軍事能力的提高非常重要，但目前許多材料在實(shí)驗(yàn)室中的功能均難以在現(xiàn)實(shí)需要中發(fā)揮出來。MATRIX 的目標(biāo)就是把實(shí)驗(yàn)室中的功能轉(zhuǎn)化盡快在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。

延伸固體(XSolids)

“延伸固體”項(xiàng)目致力于特殊材料的研制，通常這類材料只能在超高壓(百萬大氣壓) 狀態(tài)下制造和存在。由于在不同的壓力下，許多材料的物理、機(jī)械和功能特性等將發(fā)生巨大改變，因此，新材料的發(fā)現(xiàn)和制造多基于高溫的應(yīng)用，而高壓化學(xué)(或稱氣壓化學(xué)) 的發(fā)展為新材料的發(fā)現(xiàn)和制造開啟了一個(gè)新時(shí)代。

DARPA 在50年前就建立起多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，把器件和材料相關(guān)領(lǐng)域的專家集中到一起。DSO 負(fù)責(zé)人湯普金斯認(rèn)為，這些研究項(xiàng)目反映出未來新材料研究方向的根本改變，即從大塊頭處理轉(zhuǎn)變?yōu)闃?gòu)架材料，這種改變表明材料開發(fā)新的“設(shè)計(jì)師時(shí)代”的到來。