天马行空的超级新材料

沈臻懿

科幻大片中各类脑洞全开的未来幻想，有的天马行空，有的则最终步入了现实社会。不少电影情节中，都可以看到有各种性能强大的“未来新材料”的艺术化描绘。譬如，《金刚狼》电影中主角体内坚不可摧的艾德曼合金，不仅是剧中所设定的地球最硬金属，更是能直接承受核武的攻击。在这种超级金属的面前，任何其他材料都难以与其抵御和抗衡。而在另一部好莱坞大片《终结者》中，那个极为难缠的机器人T-1000，不仅具有金属般的坚硬程度，更是无孔不入，可任意穿越障碍物，并能在枪炮侵袭下实现自我修复。这一可自由变形与复原的“逆天身躯”，即是由未来新材料的液态金属所制成。尽管科幻大片中的情节多有夸张与虚构之处，但在现实世界中，同样存在着各类新型材料，并真切改变着未来社会的发展前路。

从科幻走向现实的液态金属材料

《终结者》影片中所描绘的超高强度、超强可塑性的液态金属材料，已然受到了现实社会的广泛关注。作为一种未来新材料，液态金属也从科幻影视作品中走向了现实世界的诸多领域。

基本常识告诉我们，物质通常具有固、液、气三种状态，对应温度由低至高时的状态变化。从原子结构层面而言，固态、液态、气态的区别在于其原子空间排布形式的不同。對于普通材料而言，物质在固态时多以晶体形式存在，即内部原子呈规则排布。液体物质的原子间相互间距虽与晶体较为类似，但内部原子并未呈现出规则化的排布。不过，液态金属的出现，完全颠覆了前述传统认识。与传统固态金属多为晶体的特性不同，液态金属的原子呈不规则排布。其具备了固态金属的坚硬度，但在原子结构上更接近于液态物质。液态金属材料兼具有普通金属和玻璃优异的物理、化学与力学性能，故也被称之为非晶金属玻璃材料。

液态金属的特殊性能，使得其在未来诸多领域中都有着令人期待的应用成果。从生理结构层面而言，人体全身都布满着神经网络。这些神经若受到损伤或断裂，其再生过程尤为缓慢，有时甚至需要数年的时间。然而，人体神经信号连续中断一段时间后，受伤人员的相应肌肉功能就会旋即发生萎缩或减退，甚至造成不可逆地功能丧失。因此，一旦发生神经纤维被切断或破坏等损伤时，最大希望即是尽快能够恢复这些被分隔的神经末梢的连通。当前，医学领域中大多使用自体神经移植的方式来进行治疗。但受制于各种因素的限制，神经修复替代材料的选择一直深受临床医学困扰。不过，液态金属的问世与应用，逐渐让人们看到了新希望！研究表明，若能将处于恢复期的肌肉神经信息持续地向目标传送，可大为提升神经的修复速度并促使其恢复原有功能。因此，科学家尝试将液态金属植入生物体中，并将其作为高传导性的神经信号通路。液态金属在神经传导方面所具体的特殊优势，令其与未损坏的正常神经组织在信号传导上具有高度的一致性。当液态金属被植入生物体后，其不仅能减少肌肉功能丧失的风险，提升神经再生概率，更可迅速搭建起已断裂的神经之间的信号通路与再生空间。此外，液态金属自身所具有的金属特性的一面，使其在X线照射下具有极强的显影性。待神经修复工作完成后，临床专家即可以在X射线的帮助下，使用注射器将此前植入生物体内的液态金属取出，从而避免了复杂的二次手术可能对患者造成的额外伤害。

除了引领医学领域的神经修复技术外，液态金属在未来的广泛应用，还可能打造出一个电子计算机的新时代。在诸多数字化产品的零部件中，晶体管又被誉为计算机、智能手机等产品的“中枢神经”，专司数据、信号的处理。随着晶体管性能的不断优化，电子计算机的尺寸也在逐渐缩小，功能却更为强大，使用也更为普及。但数十年来，前述电子元器件一直由固态物质所制造的状况却未曾改变。不过，这一情形可能会在未来发生改变。考虑到液态金属的优异性能，科学家已在考虑将其用作电子元器件的制造材料。希望能够利用液态金属的特性，来打造可自我修复或软件材料计算机。这一创造性的技术，利用了铟（In）和镓（Ga）两种金属，经相互混合后制成合金材料。铟（In）的熔点为156℃，而镓（Ga）的熔点则仅仅只有30℃，因此在常温下即可以实现液态金属的效果。当这种液态金属被注入橡胶中，不仅能像铜、银等金属一样进行导电，甚至还拥有近乎天然皮肤般柔和、有弹性的电路，从而可制成兼有柔软可变形性能与数字功能的流体晶体管。这些晶体管可通过两个液态金属的液滴来发挥其连接作用。液态金属的表面张力与毛细现象会改变其自身的导电性能，从而呈现出类似于半导体的性质，并具有能够控制电路开关的晶体管的效果。液态金属电路只需要微量电压，晶体管就可按照需要进行开关。当沿某个方向施加电压时，液态金属会相互靠近并形成金属桥梁，从而起到导电作用。当反方向施加电压时，液态金属则会相互远离，从而关闭其导电通路。相较于传统固态物质所制造而成的晶体管，液态金属晶体管具有更为卓越的应用前景。其不仅可以根据不同的电子特性来改变自身形状，并变更原有功能，更不会发生损坏。只需调整电压与温度，其原有特性即可旋即恢复。

超级金属材料——铼

能够让飞机这一庞然大物在天空中“振翅翱翔”，离不开强有力的航空发动机。作为当今世界工艺最为复杂、且科技含量最高的工程机械设备之一，航空发动机的核心部件即是其内部的叶片。

为了获得更大的推力，这些看似纤薄的叶片零件，往往需要承受更为严苛的考验。若使每片叶片产生的动力都能相当于一辆2.0排量的越野车，这就意味着同时所产生的热量将高达1700摄氏度之巨！其也使得一般的金属材料难以承受如此之高温。此时，就需要由一种超级新材料的应用，来解决这一难题！

在科学家的不懈努力下，一种名为“铼”的超级金属得以改变航空发动机的研发轨迹。铼是人类历史上最晚发现的一种天然金属元素，其元素符号为Re，密度21.04g/cm3，熔点3180℃，是仅次于钨（熔点3308℃）的第二难熔金属。纯铼质地柔软，晶格类型为密排六方结构。其外表与铂相似，具有良好的机械性能。

早在1871年，俄国科学家门捷列夫（Dmitri Mendeleev）就根据元素周期规律，提出在自然界中尚存一个未曾发现的，原子量约在190左右的“类锰”元素。但颇为遗憾的是，科学家们在很长一段时间内都未能找寻到该元素。endprint

对于大多数人而言，铼还是一种极为陌生的金属元素。一方面，自然界中铼的含量极为稀少，且分布极为分散。其在地壳中的含量仅仅只有十亿分之一，比各类稀土元素的含量都要少得多。据美国地质调查局的调查报告显示，全球范围内探明的铼储量仅仅只有2500吨，其价格也极为昂贵，堪比铂金。另一方面，绝大多数的铼均以分散稀少状态伴生在其他一些金属矿物之中。迄今为止，人们只发现了少量的铜铼硫化矿（CuReS4）、辉铼矿（ReS2）这两种单独的铼矿物，且储量极为有限。

涡轮叶片是现代航空发动机中的一项核心部件。其在发动机运行时，不仅需要承受超高的温度、每分钟数万次的转速、数十个大气压的压力，还须承受强大而又持续的离心力作用。面对如此严苛的运行条件，航空发动机所用的材料不仅不能变形，也不能断裂，科学家甚至还期待能够进一步增强叶片材料的各项性能。经过大量的实验与测试，航空发动机已由传统的定向结晶涡轮叶片，发展为新型的单晶涡轮叶片。此外，金属铼所具有的一系列特性，也令其成為未来增强涡轮叶片合金材料性能的超级元素之一！除了超高的熔点外，铼还具有极高的强度以及极佳的塑性，换言之，该种金属不仅结实，且极难开裂。即使在高温或低温的环境下，金属铼都没有脆性，其抗拉强度和抗蠕变强度均高于钼、铌、钨等金属。

加入了金属铼的单晶叶片，不仅可以提升数百度的涡轮燃烧耐受温度，且在迅猛加热、急速冷却、超高温度，并带有强烈振动和冲击的情况下，铼合金材料叶片也具有极长时间抵抗变形和开裂的有效工作能力。超级金属材料铼的介入，使得航空发动机的发展又出现了新的突破。有了能够承受更高温度，且性能更佳的铼合金单晶叶片，航空发动机就能进一步加大涡轮压力，从而提升运行效率。此外，航空发动机也能加速燃料燃烧的速度，进而产生更大的推动力。

除了在航空发动机领域“大展身手”外，超级金属铼在其他众多领域的未来发展也值得期待。铼具有极强的电子发射性能，这使其可以广泛应用在电子技术、真空技术等领域中。使用金属铼所制成的电接触器，能够超长期“服役”使用；而用铼钨合金所制成的电子管阴极，其寿命可比传统钨制电子管阴极寿命延长100倍之巨！此外，金属铼对于诸多化学反应都具有高度选择性的催化性能，故其不仅可用于石油化工领域的催化剂，以合成高辛烷值汽油，美国、德国等发达国家也在尝试利用铼过滤器来对汽车尾气进行过滤和净化。

仿生自愈材料

汽车保险杠上的划痕、笔记本电脑外壳的磕碰、家居饰品的开裂等情况，往往令人极为头疼。一旦遇到前述情形，往往苦于没有合适的修复方式，而只能进行整体更换。那么，有没有一种技术，能够像人类躯体那样，具有自我修复功能呢？对于人们而言，若不当心被玻璃、小刀或纸片等划破后，其伤口的愈合主要靠血液来处理。血液中的血小板凝聚为伤口止血，从而达到伤口处理愈合的效果。如此强大的人体生理功能，已然为科学家们所关注。

基于对人体生理结构的仿生研究，科学家们新近研制出了一款仿生自愈材料，即能够和人体一样通过“流血”的方式来使破损之处得以修复。科学家在普通材料的基础上，增加了一种人工管路网络，并在这些类似于人体“血管”的导管中注入了能够发生化学反应的半流体物质，进而制成能够“自愈”的仿生人工合成材料。当这种材料被划破受损时，内部“血管”中就会释放出两种不同的半流体物质，一种可以用来形成大面积的凝胶，并堵住损伤之处，另一种物质则可以起到凝固作用，从而避免物品遭到进一步损毁。随着温度、光照或者是酸度变化，“血管”中流出的“血液”能够令损伤之处自动愈合。

在一项实验测试过程中，科学家在仿生自愈塑料板上钻出一个直径约为4毫米的孔洞，并伴有多条裂纹。材料内含导管中的半流体随即流出，并渗入孔洞和裂纹之中，仅仅只经过不到30毫秒的时间就形成了厚厚一层凝胶，并阻止了损伤的进一步扩大。三小时过后，凝胶完全凝固，其自愈后的材料强度基本可以达到原材料强度的六成左右。这种新材料可适用于包括建筑物和各类设备在内的任何物品，并可在难以抵达的场所或者紧急情况下使用。

此外，该新型材料的问世与未来的广泛应用，也有望为电脑外壳、手机、汽车、飞机和其他产品提供较为理想的自我修复功能。以手机而言，进入智能手机时代后，用户们普遍面临着两大窘境。其一即是手机续航问题，随着手机屏幕越来越大，功能越来越多，其耗电量也愈发明显。在电池续航方面，智能手机已研发出快充、无线充电等模式，较好地解决了这一难题。但在另一方面，手机屏幕容易刮花的难题，仍困扰着越来越多的智能手机用户。在此背景下，仿生自愈材料的应用，无疑为广大智能手机用户带来了希望。该种新型材料，有望根本上解决手机屏幕划痕的问题。不过，仿生自愈材料毕竟仍处于研究初期，仍然有不少技术难关需要予以攻克。这一自我愈合和修复材料目前可修复的面积与强度较为有限，修复后的物品虽仍具有与原物品一样的功能，但其材料质量与强度相对较低，修复后的损伤表面或多或少会形成类似于人体损伤愈合后的“伤疤”特征。

编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.comendprint