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可編程材料打開新世界的大門，成為未來科技的“基建”

文章來源：賢集網更新時間：2022-08-16 09:42:39

材料的進步在很大程度上帶領著科技的進步，對材料的認識也彰顯了人類自身對于世界的認知程度。早在文藝復興時期，近代科學家就已經開始了科學的研究探索化學合成和加工新的材料，從塑料到今天的石墨烯和碳納米管，對材料的認識和發現貫穿著整個近現代科學發展的歷史。

當前，即便由石墨烯及其衍生物帶來的種種技術創新讓我們已經窺見被顛覆的明天世界，但研究仍將繼續。不可避免的是，其他材料也將被相繼發現，為人們展現目前難以想象的更加遠大的技術前景。在這些備選項里，可編程材料是極其重要的一個選擇。

一、可編程材料臨近

當前，可編程材料已經悄然進入我們的生活。

鎳鈦諾是一種由鎳和鈦組成的合金，它可以被塑造成某種形狀，然后在遇熱時自行改變形狀，基于這種特性，鎳鈦諾也被稱為記憶合金。

鎳鈦諾可以用于制造電線，在各種消費品和工業品中都有所應用。比如，牙套的弓絲，人體的熱量會給鎳鈦諾制成的弓絲加熱，導致弓絲收縮繼而施加必要的力，以矯正牙齒的位置；心臟手術中植入的支架；恒溫控制器，用于需要讓形狀隨溫度發生變化的地方；以及控制太空系統穩定形態設備。事實上，自從鎳鈦諾在 1959年被科學家發現，科學家幾乎在每年都能發現新的用途。

顯然，擁有超強形狀記憶功能的材料將在日常生活中發揮非常實用的功能。比如，在停車場撞彎保險杠時使用這種材料修補汽車的輕微損壞，不難想象，汽車保險杠或側板所采用的材料，平時呈現的是某一種形狀，但它們在加熱或暴露在特定波長的光線下時，又會呈現出另一種形狀。技術人員也許只需將保險杠置于精準調校的“汽車修理燈”下，它就能自動恢復到原狀。這樣，人們就無需為汽車提供其他昂貴的修理服務或更換配件。

這項技術同樣適用于飛機，使之隨著飛行環境的改變不斷調整形狀，并依據當地條件優化性能。大多數運輸工具都只能保持一種固定形態，但如果運輸工具可以根據當地環境條件巧妙地改變形狀——比如，汽車、飛機或船只都能夠稍微變化外殼形態，就可以提高幾個百分點的燃油效率，就像職業自行車手在下坡時對騎行姿態做出細微調整，以便充分利用最后一點俯沖速度。

另外，姜-泰勒金屬也是最具代表性的可編程材料之一，姜-泰勒金屬可隨著環境的改變呈現出不同的電性質。姜-泰勒金屬的名字來自姜-泰勒效應，該效應形容在低壓環境下，電子狀態下呈幾何排列的分子和離子能發生扭曲，這種新物質狀態能讓科學家通過簡單施壓將絕緣體（不能導電）變為導體。

曾有實驗嘗試將可編程材料與C60結合在一起。由60個碳原子構成的巴克球在充入金屬銣之后，一旦承受壓力，就會變為足球形狀，而在壓力減弱后又可恢復為正常的球形。想在單分子水平上控制任意數量的“開/關”系統，那樣的響應性分子是成功的關鍵——要知道，“開/關”系統正是數宇革命的基礎。

不僅如此，其他材料所具有的 “開關” 潛力也逐漸顯現出來，索烴和輪烷是屬于機械互鎖結構（MIMAs）的兩類納米材料，分別于 1983 年和 1991 年受到廣泛認可，并讓-皮埃爾·索瓦日（ Jean-Picrre Sauvage）和弗雷澤·斯托達特爵士（Sir FraserStoddart）憑借這兩種材料在“分子機器設計與合成”中的應用，獲得2016 年諾貝爾化學獎。

索烴屬于機械互鎖結構，看起來像是兩個相互鎖在一起的環。這種材料是由長長的分子鏈構成的，這些分子鏈彎曲成環狀，首尾街接，形成永久性的閉合環。環與環之間也會相互吸引，不過，這種分子間的作用力較弱，近似于石墨烯薄片之間的作用力。這種分子間的作用力形成了所謂的超分子系統，而超分子系統不再僅僅由一個孤立的分子構成。

輪烷則類似于一個啞鈴，手柄處圍繞著一個獨立的環。分子較粗大的部位構成了啞鈴末端的“砝碼”，可以防止套環滑脫。套環和手柄之間發生強烈交互作用的地方稱為基點。在遇到適當條件時，套環可在基點之間穿梭或跳躍。

經過多年的實驗，研究人員已經發現，他們可以預先設計出套環和手柄之間的引力，從而實現自動穿套。這意味著索烴和輪烷將成為可編程材料，另一種化學反應將增加套環/手柄超分子系統的重量，從而困住套環，使其成為整個系統的一部分。

二、可編程材料應用

1、可編程水泥

可編程水泥，通過控制水泥微粒的微觀形狀，將水泥微粒“編程”形成高密度、低孔隙的特種混凝土，使其堅固性提高，防水性與耐腐蝕性提升?？删幊趟嗍且环N技術含量較高的新型水泥，除了其綜合性能得到提升以外，其在生產與應用過程中對環境的危害也大幅降低。

2、可“編程”材料一束光把“塑料”變“橡膠”

浙江大學的一個實驗室里，兩片塑料“彈簧”正在接受拉力測試。一片伸展到原來的1.5倍長時，崩斷了；另一片則穩穩伸到了2倍長。它們用的是同一種材料，唯一不同的是，第二片塑料被光“點”過 “穴”。

浙大化學工程與生物工程學院教授謝濤團隊最新設計出一種新型高分子材料，在光的調控下，其網絡拓撲結構可以變化出多種形式，對應呈現出迥然相異的宏觀性能。這意味著，人們可以對同一材料的不同區域進行“編程”，一次制造集多種材料于一體的復雜產品。

3、可編程纖維

美國麻省理工學院研究人員首次創造了一種具有數字功能的纖維，能夠縫制到針織衣物中，可感知、存儲、分析和推斷人體活動。研究人員稱，數字纖維擴展了織物的可能性，可用于人體機能監測、醫療診斷和早期疾病檢測，還有助于未來創造出“數碼服裝”。

4、可編程塑料

浙江大學謝濤教授課題組提出一種在塑料制品中精確“編碼”的方法，通過數字化調控塑料制品內部“應力”，植入精致的“隱形”圖案，實現信息的隱形存儲。

三、未來科技的“基建”

當然，當前的可編程材料的應用還只停留在淺層，長遠來看，可編程材料將成為未來科技“基建”一般的存在，比如，在納米機器人的應用中，可編程材料就將發揮不可替代的重要作用。

還是以索烴和輪烷為例，2005 年，荷蘭、英國與意大利聯合研究小組共同開發出一種納米機器，只需向它添加某種光線，科學家就能讓液體逆流所上。該研究小組制成一種輪烷，它的手柄有兩個固定基點，同時輪烷的一個砝碼將手柄與一個特制的斜面連接起來。

在常態下，液體會沿并斜面向下流動，原理也很簡單，就是重力的作用而已。研究人員發現，在正常情況下，經輪烷改造的斜面同樣會讓液體向下流動。然而，當他們利用一種特殊光線照射輪烷改良后的斜面時，液體便會違反重力作用，向上流動。究其原因，光線照向斜面時會被輪烷環吸收，從而賦予了輪烷環充足的能量，使其能夠從一個基點移動到另一個基點。當輪烷環躍至第二個基點時，頂部的砝碼便會對液體產生排斥。

基于此，重新設置好光線位置后，研究人員就能夠使整個水滴沿晶片向上滾動。光源關閉之后，輪烷環將回到原始基點，液滴也將隨之沿品片向下滾動。

這意味著，量子級作用力經過疊加便會在產生巨大的效應。更重要的是，這種巨大效應將會在包括納米機器人在內的技術中產生真正的價值，比如，幫助分子向特定目標運動，通過注入物體實現無創精確手術等。理查德·費曼在 1959年題為《微觀世界有無垠的空間》的演講中便談到了微機器人在醫學中的應用，在當時，這些應用顯得非常遙遠且異想天開，而現在，人們已經通過更深入的研究看到了這些應用的未來和希望。

可編程材料另一項重要的應用是在4D打印中的應用。4D打印技術于2013年由麻省理工學院首次進行展示：將采用4D打印技術制作而成的聚合物鏈條置于水中，鏈條自動折疊形成預先設計的形狀。這種鏈條由兩種材料采用增材制造而成，一種在水中膨脹，另一種體積不變。遇水膨脹的部位壓迫其他部位產生形變，形成預定的形狀。

與3D打印技術通過各種方式將原材料如同疊“磚塊”一般逐層堆疊成形，具有高設計自由度、無需模具等優點不同，4D打印采用經特殊設計和制備的可編程材料，使這些“磚塊”能夠感知外界條件，隨之產生形狀、性能和功能的變化。可以說，可編程材料的應用正是4D打印實現的基礎和關鍵。

實際上，4D打印技術的誕生就與可編程材料的研究密切相關。2007年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了“可編程物質”項目研究，該項目旨開發出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉變成理想或有用形態的智能材料，實現根據需求在現場快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據指令改變形狀。在未來，4D打印還將在多領域展現出其意義和魅力。

可以說，可編程材料的顛覆性并不比石墨烯或者碳納米管要小，可編程材料依然是下一場材料科學革命的重要組成部分，并且在社會生活中得到今天難以想像的應用。

來源：鈦媒體，浙江日報，科技日報，新華網

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來源：賢集網
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