“硅时代”的那些未来材料

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有人提出硅时代的核心法则　“摩尔定律”其实讲的不是数据科学，而是材料学每隔18个月就能将芯片的组成成分翻倍。

材料科学一直是物质进步的基础，无论是石器时代、青铜时代还是铁器时代，都是以人类制造和使用的材料来命名的。但是进入“硅时代”后，难道科技进步就只存在于如何控制二进制的1和0吗？

答案是否定的。今天，材料问题比以往任何时候都更重要。北京理工大学材料学院曹传宝教授告诉记者，现在虽然不再以材料发展来划分时代，但是材料依然是各个学科的基础，没有材料学其他学科都发展不起来。

“比如我们生活中必不可少的计算机，它的芯片就是以硅材料为基础的，有了先进的硅才能发展数字技术。而能源方面的太阳能电池也是取决于材料的转换效率。因此材料发展是其他学科的助力。”曹传宝说，“医学上的人造器官也是用材料做成的，像透析用的人工肾其实与生物的关系已经不大了，主要就是看吸附材料的发展。目前这方面材料还不理想，制约了人工器官的发展，由此看出如果材料学进步缓慢也会成为其他学科的‘瓶颈’。”

一直以来，单独材料本身只能粗放使用，只有与其他科技结合才能产生更高的价值。在硅时代，材料学与其他学科交叉将越来越普遍。“就像现在已经有与生物交叉的生物材料学，与计算机交叉的计算材料学等，”曹传宝说。

鉴于材料的重要作用，有人提出硅时代的核心法则　“摩尔定律”其实讲的不是数据科学，而是材料学每隔18个月就能将芯片的组成成分翻倍。像芯片一样，目前实验室中更智能、更安全、更结实的材料未来都有可能改变我们的生活。

电子皮肤

皮肤的作用不仅在于保护身体，还能帮我们传导感觉。通过把电子材料变得柔软和肉感，工程师已经发现了一种方法使得人工移植皮肤和假肢也能有感觉。美国伊利诺斯州大学的研究者创造了一种足够轻薄柔韧的电路，把它覆盖在手指尖，可以将压力转换成电子信号。

目前，斯坦福大学开发的一款凝胶可以储存电能，用作可塑性电池。卡内基梅隆大学Carmel　Majidi教授也正在研制把橡胶变为压力和摩擦力的传感器，他把液体金属槽放进橡胶里，一旦液体流动，电流就会发生变化。此外，电子皮肤还可以用于人类之外的更宽广领域，比如用这种工程学方法使机器人更逼真、更具有人类特性。

蜘蛛丝移植

看过《蜘蛛侠》的人都知道蜘蛛丝比钢铁还强韧，而人体自身的组织却很脆弱、容易撕裂。美国犹他州，研究人员正在用蜘蛛丝修复受损的肩膀和膝盖。他们培育转基因羊以生产大量蜘蛛丝蛋白，纺成股，做出仿蜘蛛丝纤维。这些纤维保留了蜘蛛丝特有的延展性，同时比人类韧带和筋腱分别强劲100倍和20倍。让移植的骨骼更加强韧，麻省理工学院研究员已经成功地将蜘蛛丝蛋白和胶原蛋白组合在一起。研究人员估计，2030年以前蜘蛛丝移植技术将批准对人类使用。

能发电的运动鞋

早在100年前，工程师就尝试通过发电器将机械能转化为电能，但是直到现在通过反复走动产生的能量依然不足以给一个iPod充电。主要原因在于目前制作发电器的压电材料不仅难以生产，还含有有毒金属，比如镍和铅。

如今，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员一次性解决了这两个难题，他们使用的方法是采用经过特殊处理的无害病毒，这种病毒可以自发形成一层膜覆盖在发电器上。把它装进鞋里，走路时发电器感受到压力，病毒的螺旋蛋白就会旋转、扭曲，产生电荷。邮票大小的病毒压电材料样本可以产生400毫伏电力，足够点亮一个小LCD显示屏。未来5-10年，这项技术可帮助振动产生的能量来发电，如建筑物的振动和心跳，包括给iPod充电。

更安全的核电站

美国全部的104家核电站的组建都严重依赖于钢铁，包括装铀的压力容器都是钢铁制品。在持续不断的辐射之下，钢铁质量会下降，更加容易折断。来自加州理工学院和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究者创造出了纳米复合材料，可以更好地预防将来核反应堆由于钢铁老化引起的灾难。它的作用原理是纳米复合材料的金属层界面可以有效吸收强烈辐射，而正是这种辐射使得被照射的材料变质。

“近期，这种纳米复合材料就会加入到钢铁材料中，新的钢铁会取代现有核电站的老旧部件，”加州理工学院工程师Julia　Greer说。此外，航天器材料也可以涂上纳米复合板，保护它们免受宇宙深空辐射之苦。

无菌医院

在美国，每年大约有10万个病人死于医院中的细菌感染，医务人员必须不断地给医院消毒并防止细菌蔓延。近日，哈佛大学实验室推出的一款“先锋”材料能在第一时间阻止输尿管等医疗器械上的细菌滋生。最初，研发团队从植物身上寻找灵感，并把目光集中到猪笼草，这种植物会吸引蚂蚁和蜘蛛并用自己超级光滑的表面让昆虫陷入险境。受此启发，研究人员采用了与猪笼草相同的原理，让细菌无法在如此光滑的表面停留。

这种技术被称为“光滑液体注入多孔表面”，简称为SLIPS。材料上的纳米小孔非常坚固，是用聚四佛乙烯或金属制成的，小孔利用毛细作用排出超级剂，包括细菌在内所有外来物都会从光滑的物体表面滑下去。哈佛大学材料科学家表示，“SLIPS技术也能有效阻止灰尘、冰雪和涂鸦，因此在多个行业都具有潜力。”

蝙蝠翼飞机

无论是灵活性还是准确性，飞机都远远比不上自然界的飞行高手——蝙蝠。“蝙蝠和大多数动物不同，当然和设计精良的飞机构件也不一样，它们拥有超级灵活的翅膀，这对翅膀赋予了蝙蝠丰富的空气动力学特性，”布朗大学机械工程师Kenny　Breuer说。

近期，锡拉丘兹大学的研究团队制作出了与蝙蝠翅膀具有相似特性的材料，当聚合物材料构成的机翼向一侧展开时既坚硬又稳固，而向另一侧展开时弹性会增加到原来的12倍。今后5到10年，这种蝙蝠翼材料可以让小型无人飞机单靠拍打、伸展机翼就能飞行。这样，飞机就能在执行侦察任务时，以非常低的速度飞行，并在空中精确地盘旋。

自我修复的计算机

集成电路也许开启了数字时代，但它们却被一个巨大的局限性困扰：物理损坏。伊利诺伊州立大学开发了一种新型涂层，即使你用一把美工刀将线路板戳漏，它也能让线路板在不到一毫秒内死而复生。研究人员Nancy　Sottos表示，她的小组在金属丝上镀了一层充满液体金属的微型胶囊。金属丝一旦折断，胶囊就会破裂，液体金属会弥补裂口，恢复导电性。她同时表示，在5到10年的时间内，类似的涂层将应用于连接电路板的电线上，让几乎所有的计算机和电子设备都能自我修复。

智能服装

一年四季，烈日、暴雨、寒风，每种天气环境我们都能找到合适的衣服。不过，从来没有一件衬衣或一条裤子能聪明地适应外部环境。来自匹兹堡大学的工程师Anna　Balazs表示，“未来20年内，你的衣服就能为你‘考虑’得很周到了，你将不用费心选择薄厚适宜的衣服”。

如今，匹兹堡大学和哈佛大学共同开发了一种材料，它能在一定范围内调节温度。这种新材料的夹层里设有化学和机械反馈回路，它们能按照事先设定好的温度开关发热反应装置，让人体总感到温度适宜。未来，类似的方法还可以用来制造自动调节材料，应对酸、碱、强光和葡萄糖等具有刺激性的物质，让水管、窗户和医疗器械更加“聪明”。■