讓你拍案驚奇的“超材料”

聶雙

“超材料”是一類擁有特殊性質(zhì)、自然界中并不存在的人造材料。物理學(xué)家和材料科學(xué)家正在對(duì)“超材料”的各種令人驚嘆的奇異性質(zhì)進(jìn)行研究，力爭發(fā)掘它們?cè)谏钪懈鞣N可能的應(yīng)用。

現(xiàn)在，對(duì)很多科學(xué)家來說，通過彎曲材料的結(jié)構(gòu)來改變其外觀已經(jīng)是“小菜一碟”，科學(xué)家們接下來打算改變材料的力學(xué)性質(zhì)。

在美國物理學(xué)會(huì)今年3月舉辦的一次會(huì)議上，來自世界各地的科學(xué)家們重點(diǎn)討論了一些“超材料”的最新例子，其中包括彈性陶瓷、無法被感知的斗篷以及可編程的橡膠海綿等。科學(xué)家們表示，這些新型“超材料”的出現(xiàn)，將有助于他們建造能夠更好隔熱的宇宙飛船防護(hù)瓦，乃至研制出對(duì)地形敏感的鞋子。

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的馬丁·魏格納教授近日接受英國廣播公司采訪時(shí)說：“我認(rèn)為‘超材料這一概念已經(jīng)慢慢滲入多個(gè)領(lǐng)域。這一技術(shù)最初在電磁學(xué)領(lǐng)域引發(fā)了轟動(dòng)，接著長驅(qū)直入，進(jìn)入包括熱力學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，最近又開始在力學(xué)領(lǐng)域掀起狂瀾。”

魏格納教授稱，“超材料”這個(gè)詞語幾乎用于指代所有怪異且新奇的設(shè)計(jì)，但其實(shí)，它通常指一種材料擁有最初的組成部分所不具備的屬性和特征。

無法被感知的斗篷

魏格納教授正在研究斗篷，但他的目標(biāo)不是使事物隱形，而是使事物不受物理作用力的影響。去年，他的實(shí)驗(yàn)室制造出了一種蜂窩狀材料，可以使其包裹的物體無法被人感覺到。

這種特別的“超材料”是一種行為在某些方面與液體類似的固體晶格，能夠使外部施加的壓力發(fā)生偏移。

在演示中，這種斗篷可以將一個(gè)直徑不足1毫米的小圓柱體隱藏起來，讓其無法被人的手指感知。法國物理學(xué)家和工程師們也采納了魏格納教授的研究，他們已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明，一種小心翼翼的鉆孔方法可以轉(zhuǎn)移破壞性較強(qiáng)的地震波動(dòng)。這意味著，將地面本身變成某種超材料，能保護(hù)發(fā)電站免遭地震所帶來的破壞。

在這次年會(huì)上，魏格納教授展示了他的最新研究成果，包括一種可以使平板中心的小洞無法被感知的斗篷用于遮擋洞口。魏格納說：“這是一種設(shè)計(jì)原則，可以應(yīng)用于很多地方。”

能感應(yīng)地形的鞋子

荷蘭萊頓大學(xué)的博士研究生巴斯蒂安·弗洛林也在此次年會(huì)上展示了他的最新研究成果，他稱之為“有史以來第一種在力學(xué)上可編程的材料”。

從外觀上看，這是一種幾乎沒有任何技術(shù)含量的橡膠板，上面有很多洞。但是，這些有兩個(gè)尺寸的洞洞都是經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的，可以在縱向或橫向進(jìn)行壓縮，這種方向上的改變通過增加一個(gè)小夾子來操控。因此，最終得到了一個(gè)超大號(hào)的海綿，可硬可軟，或者介于兩者之間。

弗洛林表示，如果這種海綿在轉(zhuǎn)化到更軟的過程中，仍然受到某些壓力，也就是所謂的“負(fù)剛度”，那么，就會(huì)出現(xiàn)一種很奇特的性質(zhì)，但目前他還未能為此找到用武之地。

不過，弗洛林指出，這種橡膠板的另一個(gè)特征可能會(huì)大有用途：它們能吸收能量。他解釋說：“想像一下，你能借此制造出可編程的汽車保險(xiǎn)杠，如果在有很多小朋友的地方駕駛，你可能會(huì)希望保險(xiǎn)杠更柔軟一點(diǎn)；而如果在高速公路上快速駕駛，你會(huì)希望它更硬一點(diǎn)。”

目前，弗洛林和同事正在同制鞋企業(yè)進(jìn)行磋商，希望據(jù)此研制出可根據(jù)不同地形進(jìn)行調(diào)節(jié)的鞋子。

耐擊的發(fā)動(dòng)機(jī)零件

美國哈佛大學(xué)的凱蒂婭·貝爾托爾迪在研究一種類似的奇特彈性材料，其擁有負(fù)的“泊松比（橫向變形系數(shù)）”，這意味著當(dāng)你壓縮該材料時(shí)，它會(huì)從各個(gè)方向進(jìn)行收縮，而非像普通材料那樣側(cè)面被擠壓出去，變得更平更寬。當(dāng)這種材料被拉伸時(shí)，它也會(huì)向各個(gè)方向擴(kuò)展。貝爾托爾迪教授的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為這種材料開發(fā)出了不同的有用性能，包括在受擠壓時(shí)能吸收不同頻率的聲音等等。

“泊松比”也會(huì)影響金屬的疲倦程度，因此，貝爾托爾迪正在同勞斯萊斯公司合作設(shè)計(jì)具有復(fù)雜狹縫結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)零件，這種零件可以經(jīng)受很多次壓縮循環(huán)。貝爾托爾迪表示，為了獲得獨(dú)一無二的特性，“我們要么研制復(fù)雜的零件，魏格納教授稱，“超材料”這個(gè)詞語幾乎用于指代所有怪異且新奇的設(shè)計(jì)，但其實(shí)，它通常指一種材料擁有最初的組成部分所不具備的屬性和特征。

要么使用簡單的零件但采用特別的方式進(jìn)行組合。”

能復(fù)原的彈性陶瓷

加州理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)制造出了一種非常小且與以往迥然不同的陶瓷，其空氣含量在99.9%左右，卻仍十分堅(jiān)硬，且該陶瓷在破碎率達(dá)50%的情況下還可恢復(fù)原狀。

研究人員使用一種叫做雙光子光刻的激光直寫技術(shù)，在一種高分子材料中“寫入”一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，即通過激光光束的照射讓高分子發(fā)生局部交聯(lián)硬化。被激光照射過的部分材料會(huì)保持結(jié)構(gòu)完整，而其他部分則會(huì)被溶解掉，只留下一個(gè)三維骨架。然后他們?cè)谶@個(gè)骨架上涂覆一層薄薄的材料——金屬、合金、玻I離、半導(dǎo)體等等，之后使用另一種方法將骨架中的高分子剝離出來，留下一個(gè)空心結(jié)構(gòu)。

研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)前景無限。鑒于許多材料都可以在這個(gè)骨架上堆積成型，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)光學(xué)、能源效率及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展十分有利。比如，我們可將它用于骨骼的再生，用生物相容性較好的材料制造骨架使細(xì)胞在其上增殖。

在模型建立后，研究人員在高分子骨架上涂覆一層氧化鋁陶瓷材料，構(gòu)建出中空管網(wǎng)狀的氧化鋁結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度為5納米到60納米，管直徑在450納米到1380納米內(nèi)，而且，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)比一張紙還薄。接下來，研究人員對(duì)他們制造的各種納米晶格的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，猛烈擠壓或拉伸材料，使樣品發(fā)生變形以觀察其承受極限。他們發(fā)現(xiàn)，厚50納米、管徑1微米的氧化鋁結(jié)構(gòu)在壓縮時(shí)會(huì)發(fā)生破碎。然而，當(dāng)壓縮管壁厚與管徑的比例比較小的晶格時(shí)，也就是當(dāng)管壁厚僅為1 0納米時(shí)，產(chǎn)生了非常不同的結(jié)果。研究人員說：“你使它發(fā)生了變形，但它卻突然彈了回來，在某些情況下，我們能使這些樣品變形的比例達(dá)到85%，但之后它們又恢復(fù)原狀。”

研究人員解釋道，像陶瓷、硅、玻I離一樣比較脆的材料由于充滿缺陷（比如空穴和雜質(zhì)）而易發(fā)生碎裂。材料越完美，你越不可能發(fā)現(xiàn)它結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。但是，當(dāng)將結(jié)構(gòu)削弱到一定程度即厚度僅1 0納米時(shí)，缺陷的數(shù)量和所有缺陷的尺寸都達(dá)到了最小化的狀態(tài)，整個(gè)結(jié)構(gòu)也最不可能失效。

參與研究的盧卡斯·梅扎表示，盡管如此，他們目前制造出的材料還太小，因此并沒有實(shí)際用途，不過，隨著投資的不斷增加，這種陶瓷能找到用武之地，尤其能在“普通物質(zhì)無能為力的地方大顯身手”，例如，航天飛機(jī)或者噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，或許更愿意使用陶瓷防護(hù)瓦而非金屬罩來隔熱。