即將改變世界的10種材料

材料是人類生產生活的物質基礎。在歷史長河中,一種新材料的出現和利用,常常能夠促進社會生產力的發展,引起時代的變遷,推動人類文明的進步。一些對人類 歷史起到舉足輕重作用的材料,甚至被歷史學家作為劃分時代的重要標誌。進入21世紀,材料更是被視為現代科學技術的支柱之一。從某種意義上說,未來世界會 變成什麼樣,人們將過上怎樣的生活,都和材料的發展有著密切的關係。下面,我們來看看即將投入使用並可能改變生活的10奇材
奇妙的材料之一
二維錫
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電子飛馳的超高速公路
   從外觀上看,我們的智慧手機似乎挺靈巧可愛的,但承載資訊傳輸的電子在微處理器的晶片內跑得並不那麼有條不紊。美國斯坦福大學的物理學家張首晟教授這樣形容電子在固體物質內部的運行:就像穿行於擁擠的菜市場,到處磕磕碰碰,似乎導電體內雜質成堆。
   如果你的手機充電幾小時後動不動就死機,或是熱得燙手,問題就出在電子的雜亂運動。每次電子互相碰撞一下都會產生熱。電子器件內紛繁複雜的電路裡,電子產 生的廢熱必須及時地、迅速地傳導出去,否則就會損傷電路。但在手機裡這幾乎不可能做到,電腦內也一樣。廢熱成了影響手機和電腦晶片工作效率的主要問題。
   如果有一種材料在傳導電子的時候沒有任何阻力,不產生任何熱,也就完全沒有上述煩惱了。過去的一個多世紀裡,物理學家一直以為超導材料是最好的選擇,但研 究來研究去,最後發現自己好像被超導現象給騙了——絕大多數超導材料只能在接近絕對零度(-273)時才表現出超導特性。雖然科學家還在持續努力,但實 現常溫超導恐怕還要再等一個世紀。
   張首晟教授放棄超導另闢蹊徑。他於2007年在世界上首次合成了一類叫拓撲絕緣體的奇特材料:內部是絕緣材料,表面卻能導電,而且電子可以完全自由移動。 因為電子只是從表面的原子上傳導,產生了一種電子-自旋耦合量子相互作用效應,消除了電子移動時不斷掉頭的現象,也免除了電子從材料內部打洞前進的困 難。與現有的電子產品中電子的移動相比,拓撲絕緣體上的電子傳導就像汽車從擁擠的街道駛上高速公路。
   其實,拓撲絕緣體上的電子傳導也不十分規矩,電子在材料的表面也時常做回轉滑雪運動,難以在一條軌道上直線飛馳,因而還會產生熱,仍有散熱的煩惱,除 非將其冷卻到絕對零度附近,要不然電子不會老老實實地沿直線傳導。為解決這個問題,張首晟教授設法製作了一種特別的膜——單層錫原子膜。它只有一層原子構 成,薄得不能再薄了,科學家稱之為二維膜。結果,電子們聽話了,乖乖地沿跑道直線前進。原因是,這麼薄的膜對電子運動方向擁有超強的約束能力,不給電子選 擇道路的機會,只能沿材料的邊緣移動,而且低溫、常溫都一樣起到約束作用。
   由於是真正的零產熱材料,這種膜可能首先被用於製造微處理器晶片的導線,可以極大地降低能源消耗和廢熱。當然,這種膜也可以用作把熱能直接轉化為電能的熱電材料。
不過,現在要大量做出真正的單層錫原子膜產品為時尚早,雖然很多人非常樂觀,但實際上都是紙上談兵。假如單層錫原子膜能做出來,實現表面100%導電效率,就會迅速應用於各種電子產品。張首晟教授說:這一天,樂觀地估計要5年時間,客觀地估計要10年時間。
奇妙的材料之二
記憶玻璃
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給外星人的一封信
   美國經典科幻漫畫《超人》的主人公來自遙遠的外星球,他具有地球人無法企及的超能力。一次,超人碰巧飛到了一座晶瑩剔透的神秘建築裡,在那裡他看到了一塊 奇特的晶體碎片,立刻找回了自己兒時的記憶,想起了早已忘記的故鄉——原來那塊奇特的晶體碎片替他的大腦儲存了大量兒時的生活資訊。假如人類也能將記憶永 久地儲存於某個物體上,那不是一件令人驚奇的事嗎?
   當然,現在人類已有多種途徑儲存資訊。但是,資訊存在電腦硬碟裡很容易丟失,存在軟碟裡又很容易因高溫而損壞;即使這些硬碟或軟碟保存良好,也經不起幾千次重複擦寫。即使把資訊儲存於DVD上且保存良好,幾十年後資訊也會因為載體材料氧化而丟失。
   長期而安全地儲存資訊,如今關乎每個人的工作與生活。雖然目前我們的方法遠不及動畫片中超人的記憶晶體碎片,但科學家正試圖徹底改變這一狀況。
   早在1996年,美國哈佛大學的物理學家就設想,將資訊寫入一種耐久的、類似玻璃的透明材料。玻璃有很多優點,它能抵抗高溫的炙烤、化學物質的腐蝕和機械 力的損傷,甚至還有防彈功能。按照哈佛大學物理學家的研究方案,寫入資訊只需用一束極細的強鐳射在玻璃上刻出一小塊刻痕,使刻痕處的折光率與周圍部分不同 即可;閱讀資訊只需將玻璃對著光線,檢測刻痕處的圖案就行。
   科學家為實現這一設想著實下了一番功夫,倒不是玻璃難造,而是雷射光束難以精確控制,稍不注意,刻出的微小圖案就有差錯。好在這個問題在剛過去的2014 得到了解決。日本日立公司一聽說這個成果,就迫不及待地想抓住機遇,要將這一技術用於熔融石英(一種類似玻璃的材料),開發新型資訊存儲產品,計畫 2015年推向市場。
   英國物理學家卡贊斯基也對這個技術感興趣。他考慮能否在石英上刻出同時帶有5種資訊的刻痕,也就是不僅反映三維空間(長、寬、深)的變化,還記錄入射鐳射 脈衝的強度和偏振性。這樣資訊儲存密度比日立公司的高8倍,可以在指甲大小的石英材料上保存萬億位元組的資訊,即可以存500萬本每本10萬字的書,差不多 可以將一座大型圖書館塞進2指甲。而且,卡贊斯基依據測試結果推測,這種材料所儲存的資訊可以耐1000高溫,可以逃過核爆炸的損毀,可以安然保 100億年,而地球自誕生到現在才45億年。這個壽命差不多與宇宙同在,與日月同輝,真稱得上萬壽無疆了。卡贊斯基驕傲地說。
   現在,卡贊斯基和他的團隊每秒可以在這樣的材料上寫入1000位元組(500個漢字),但他們並不滿足,正在加班加點地努力改進寫入資訊的速度,希望可以達到每秒寫入 1百萬位元組,那樣就可以配合錄影進行即時儲存了。
   在大資料時代的今天,每時每刻都會產生海量資料,如何保存、如何調取是個特大問題。比如,上海市目前絕大多數路口、商家門口都安裝了電子攝像頭,監視來往 車輛和行人的行蹤,非常利於警方破案。但每天這麼多攝像內容,信息量驚人,儲存還是不儲存?用什麼儲存?存3天,還是7天,抑或3個月?如果存儲時間短, 萬一1年後破案要用就無從查閱了。
記憶玻璃技術投入實際應用後,這些問題將不再困擾人們,警方可以在1指甲內追蹤案犯若干年前的行蹤。此外,氣象臺可以在指甲內追蹤地球上的風雲 變幻,天文學家可以在指甲內追蹤日月星輝、宇宙大爆炸。未來的人類乃至外星人也能借助這種技術瞭解我們這幾代人的生活狀態和文明成果。
奇妙的材料之三
蝦絲
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橫掃世界的塑膠終結者
   人類從20世紀60年代起開始廣泛使用一次性尿布。換下來的一次性尿布難以分解,有一些可能要在垃圾堆裡保存數百年之久,如果未來的考古學家剛好到那裡進 行考古發掘,他們或許會覺得如獲至寶。對這些尿布的分析顯示,20世紀末到21世紀初的人類是人類史上最為揮霍浪費的一代:連尿布都大量用上了不能降解的 塑膠,如同製造其他高級商品一樣!
   一次性尿布的內層是吸收尿液的聚丙烯酸酯塑膠,外層是防水的聚乙烯塑膠,塑膠黏結劑將尿布的各部分黏合起來。尿布還被聚乙烯塑膠包裝起來出售。無論你喜歡 也好,不喜歡也罷,這類石油來源的高分子聚合物是我們生活的這個時代的標誌性材料。未來的歷史學家可能將人類歷史分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代和塑 料器時代。
   在未來的很多年間,人類還會使用塑膠,塑膠還會在這個世界存在。它們有極強的穩定性,一時半會也爛不掉,地球上已很難找到哪個地方沒有它們的蹤跡。遙遠的 海洋漩渦中卷集了塑膠垃圾;深海洋底沉積著大量塑膠垃圾;就連喜馬拉雅山脈海拔8000米以上的死亡地帶也有塑膠垃圾,多到不得不請求登山探險隊員每 人每次義務清理數千克的地步。
   然而,我們現在還擺脫不了對塑膠的依賴,還沒一種材料能像塑膠那樣柔軟、便宜、有強度。目前世界上少量可生物降解的塑膠都是以植物纖維素製成的。雖然植物 纖維素是自然界最豐富的有機高分子化合物,但它們價格高昂,科學家花了近半個世紀的時間努力改進技術以降低成本,也只能使植物源可降解塑膠達到1%的市場 佔有率。
   就在大家幾近灰心的時候,甲殼素閃現了希望的光芒。美國哈佛大學仿生工程研究所的英格伯和弗南德茲考慮,用植物纖維素替代塑膠難以讓人滿意,用甲殼素替代 塑膠的效果又怎樣呢?甲殼素廣泛存在於蝦、蟹、昆蟲等動物的外殼中,是地球上含量第二豐富的天然有機高分子。心動不如行動,他們將甲殼素與蜘蛛絲蛋白結 合,製成了不溶于水的纖維狀蛋白質材料。我們姑且叫它蝦絲吧。
   蝦絲不會燃燒,因而可以用作阻燃劑。此外,它還有很多吸引人的特點,一是它的堅韌度勝過其原材料甲殼素,而且可通過調節含水量而調高或調低;二是它的可塑 性堪比鋁合金,容易鑄模成型;三是它具有可降解性,一旦用它製作的東西我們不想要了,可以隨便丟到潮濕的地方,要不了幾星期,微生物就能將其變成一堆肥 料。
   英格伯和弗南德茲正在尋找投資,以幫助進一步降低蝦絲的應用成本。蝦絲如能在可塑性上更進一步,將令其他材料望塵莫及。於是,這對科研搭檔將目光轉向了殼 聚糖——一種從甲殼素轉化來的成分。他們用殼聚糖改進的蝦絲為原料,以生產塑膠製品的常用方法成功地製造了一副國際象棋,驗證了蝦絲的實用性。他們希望以 此代替塑膠,製造各種精緻的日用品,如便宜的兒童玩具、各種瓶子、手機零部件等。
蝦絲很有彈性,其優良的特性使其在很多方面能夠代替塑膠,甚至可以用來生產薄薄的塑膠袋。蝦絲一切都很理想,唯一缺點就是,用它生產的尿布會讓幾個世紀後的考古學家大失所望,不過,做任何事情都眾口難調,不是嗎?
奇妙的材料之四
自我修復的高分子材料
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能再生的材料
   想像一下:汽車能自我修復刮痕,不需再次噴漆,不用織補沙發座椅;大橋不會老舊,橋墩和橋樑能自我翻新;飛機的機翼和機身能不斷自我更新,永不磨損和袘k,乘坐永遠舒適、安全。
   這些夢想對於美國工程師斯科特·懷特來說,不算是遙不可及的夢想。他是最早研究具有自我修復能力的高分子材料的科學家之一。時間追溯到2001年,懷特研 制了一種類似塑膠的材料。它由很多微型膠囊構成,一旦某處出現裂痕或空洞,裡面的微型膠囊就會破裂,向破損處釋放具有修復作用的試劑,使裂痕得到修復,材 料再次聚合。懷特將這項技術產業化,做成塗層,用來保護各種設備,從橋樑到直升機旋翼,使其免遭惡劣環境的侵害。
   真正商業化的自我修復高分子材料目前並不多見,不過,一些實驗室研發的新材料,已經顯示出自我修復的潛力。一種叫聚六氫三嗪的高分子材料(PTH),既可 以是固體,也可以是液態膠水,與碳納米管等超強材料化合在一起,可以替代金屬做汽車的零配件,也可以用來生產特殊的指甲油。這種指甲油女士僅需塗一次,以 後就不用再塗,因為它不會褪色,不怕磨損。
   目前絕大多數自我修復高分子材料只能修復很小的裂紋或凹痕,寬度大概100微米,相當於一根頭髮絲的直徑。2014年初,懷特的研究團隊宣佈發明了一種可 修復3釐米寬裂痕的材料。這種材料內佈滿很細的管道,裡面含有化學前體物質:一種黏性物質能迅速凝結而堵住裂縫,彈性高分子物質則起到加固作用。目前這種 材料實現大規模生產還有很多路要走。不過,只要科學家努把力,再加上些研究經費,10年內有可能造出第一種實用的修復大尺寸裂紋的自我修復材料。
   研究人員把更長遠的目標鎖定在能夠完全自我再生的材料上。懷特說:人的骨頭不斷在更新,7年全部更新一遍。想像一下,如果能造出一個可以自我更新的工程結構件,將是何等神奇!
懷特考慮,這需要一些智慧的、可逆的化學反應幫忙。在這些化學反應中,一部分高分子聚合物的化學鍵斷裂,而另一部分則在重建,始終處於破壞重建加固的 動態過程中。實現這一過程,則需要智慧材料的結構中有適當的處於亞穩態的起始物質。這樣才能製造出像骨頭那樣可以代謝的高分子材料。想使用如此完美的材 料,不得不說為時尚早。還有很多科學上的硬骨頭要啃。懷特鼓勵大家,但我們要有遠大的夢想。
奇妙的材料之五
氣凝膠
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比空氣還輕
   早在20世紀30年代,一位名叫克斯提爾的美國化學家製造了當時世界上最輕的材料。他的絕技是去除矽膠溶液中的液體,使之凝固成極細而密佈納米空泡的骨架,做成含99%空氣的超輕材料。這種超輕矽膠材料看上去像是凝固的煙霧,因而克斯提爾稱之為氣凝膠
   這種氣凝膠極其脆弱,在此後的六七十年裡僅被當作好玩的稀奇玩意兒。但近十多年,科學家開始動腦筋發掘它的實用價值。化學家用玻璃纖維加固以增強其力學性 能,或灌注極薄的高分子聚合物以提高其彈性。美國國家航空航天局的科學家還合成了全高分子塑膠的氣凝膠,其彈性如同橡膠,強度超過克斯提爾最初製造的氣凝 500倍。
   與此同時,還有大量的氣凝膠應用方面的探索。氣凝膠孔內的空氣使其成為隔音超級明星,可以用來製作隔音牆,厚度1釐米的氣凝膠就相當於5釐米優質泡沫塑料 的隔音效果。氣凝膠能使玻璃窗比傳統雙層矽酸鹽玻璃窗更保暖,品質卻比後者輕得多。高端冬季運動服也紛紛使用氣凝膠。新款穀歌平板電腦也使用了特製的氣凝 膠,使其品質比傳統的減少一半。
   另有一類新型氣凝膠具有革命性的應用前景。它的原料不是矽膠或高分子,而是金屬。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學家2005年偶然發現一種製備金屬氣凝 膠的簡便方法:點燃一些過渡金屬化合物,燃燒之後就能神奇地形成如海綿一樣的新東西。儘管金屬氣凝膠不適合作為隔音、隔熱設備,但它擁有極高的表面積—— 每克金屬氣凝膠的表面積可達3000平方米,而且金屬氣凝膠有導電性,還有很好的化學反應活性。僅這幾項特性就有可能幫助我們降低能源消耗、改善環境。比 如,鐵和鎳是很好的化學催化劑,但效率不高,把它們做成氣凝膠後可以替代效率很高但價格高昂的金屬鉑,在下一代工業生產中充分發揮催化作用,而不必消耗大 量能源。
   金屬氣凝膠的另一個用途是儲存氫氣。鈹是品質最輕的四種元素之一,化學性質類似鎂和鈣。用它做成的氣凝膠又牢又輕,可以用來儲存氫氣。雖然其儲氫能力低於合金,但它釋放氫氣時不像合金那樣需要高溫加熱,因而更加安全。科學家希望將這種氣凝膠用於氫能汽車。
像鐵和鎳一樣,我們常見的銅有諸多催化作用。2014年,科學家發現用銅製備的氣凝膠有望用來吸附空氣中的二氧化碳,進行人工光合作用,合成工業上所需的 碳水化合物。此外,科學家還在研究其他具有超強化學吸附功能的金屬氣凝膠。如果這些金屬氣凝膠做成的藍天拖把真正發揮作用,大量吸附空氣中的二氧化碳 和各種污染物,沒准很快就能還我們一個清新的大氣層呢!
奇妙的材料之六
方鈷礦
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吞噬餘熱發電
   熱力學定律證明,能量消耗的一半以上是以廢熱的形式浪費了,不管是汽車耗油,還是洗衣機耗電,抑或是工廠裡的油、電消耗。有些設備產生的廢熱比例更高,比如,汽車發動機浪費的比例高達三分之二!如果新技術能利用其中哪怕一小部分來發電,那也是大規模提高能量利用率的進步。
   熱電材料正是能幹這種活的材料,它能引導熱量流向自己併發電。在汽車排氣管周圍捆上熱電材料,所發的電可以支援車內的電器設備運行;把熱電材料配置在冰箱 壓縮機處,用冰箱散發的熱發電可以支援冰箱的運行;把熱電材料配置在太陽能電池上,太陽光所有譜段產生的熱都可以被吸收發電,而不像目前的太陽能電池只能 利用1~2個譜段。
   這樣看來,熱電材料的應用應該豐收無虞。但上述理想的畫面到目前為止還沒成為現實。不過,理論上最有效的熱電材料已經找到,就是碲化鉛。目前它還沒投入使 用,是因為人們對鉛的恐懼,以及鉛應用於電器設備方面的立法限制。雖然鉛可以用毒性低的鉍來替代,但另一種原料碲的價格不便宜,而且還在上漲,還是抵消了 這個方案的優勢。
   為了幾十年的研究成果不致付諸東流,科學家正設法尋找低成本的熱電材料。令人沮喪的是,絕大多數替代材料的熱電轉換效率平平,而且越是高溫,轉換效率越低,因此無法應用於產生高溫廢熱的汽車發動機。
   現在,熱電材料的研究領域出現了一顆新星——方鈷礦,它有望在多個方面大顯其能。方鈷礦材料家族的化合物中,鈰或鐿等稀有金屬的原子,可在鈷原子和銻原子 組成的籠狀結構周圍自由穿梭,構成一種特別擅長捕集熱量的獨特結構,使電子通過籠狀結構產生電流。而且,捕獲的熱量越多,產生的電流越大。
   美國通用汽車公司的科學家梅訥斯正在美國能源部的資助下,努力提高方鈷礦熱電材料的發電效率,爭取2016年研製出利用廢熱發電的汽車原型,希望廢熱發的 電能支持汽車的照明燈泡、收音機等電器設備工作。梅訥斯設想,熱電材料製成的發電機還可以利用廢熱給混合動力汽車的電池充電。
   中國為保護環境和自然資源,嚴控稀有金屬的開採和出口,因此方鈷礦的原材料在國外難以採購。2014年,日本大阪大學的科學家找到了便宜的解決辦法,用鎳 和鐵替代鈰和鐿,但不幸的是,同時不得不加入另一種有毒的元素鉈,導致應用無望。受該研究的啟發,梅訥斯嘗試在方鈷礦中摻一些鐵,以降低成本,並探索能否 用更便宜的鈣來代替部分或全部稀有金屬。
   近來的研究發現,把方鈷礦材料的籠狀結構扭一扭,可以耐更高溫度吸熱發電,可在550條件下工作,差不多可以吸收軋鋼廠的廢熱發電。與此同時,其他結構奇特的化合物也有很好的熱電效應,例如,有的能在較低溫度下發電。
說了半天,其實熱電材料的研究進展並不快,科學家還在探索、尋找更有效的奇妙材料。這個過程困難重重,如爬陡坡、登險峰,每一點進步都來之不易,卻離最終目標更進一步。
奇妙的材料之七
人工骨髓
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白血病患者的希望
   人體的器官都很重要,但有的一出問題就將危及生命,如胃、腸、脾、胰等,所以它們被裝進肚子裡。有一些器官出現問題將嚴重危及生命,如心臟、肺、肝臟等, 所以它們被放在胸部,由肋骨、胸骨、脊柱等組成的籠子加以保護。更為重要的器官,如腦,一旦出現問題將直接危及生命,所以被放在顱腔裡,由嚴嚴實實的 骨頭、圓弧形抗壓結構加以保護。你能想像還有什麼器官能尊享大腦的待遇,受到骨頭嚴格保護嗎?
   那就是骨髓。骨髓既是重要的造血器官,又是重要的免疫器官。
   骨髓從胚胎期第4個月開始從肝、脾接過造血的接力棒,到第5個月就基本成了造血中心。骨髓含有造血幹細胞等多種幹細胞。血液的所有細胞成分都來源於造血幹 細胞,它們每小時產生100億個運輸氧氣的紅細胞,產生幾億個起免疫作用的粒細胞、單核細胞、巨核細胞、血小板等,以維持血液迴圈,監視防範外源病毒、細 菌和真菌對人體的侵害,清理自體衰老、癌變的細胞。
   可以想見,如此重要的器官,一旦發生病變,問題就很嚴重。白血病就是一類造血幹細胞異常的惡性疾病。白血病發病率居我國腫瘤發病率的第六位,雖然兒童、青 少年的急性白血病可用中國科學家發明的維甲酸和砷劑治癒,但大部分患者還是要依賴骨髓幹細胞移植治療。而骨髓幹細胞移植深為現代醫學所頭疼:尋找供體、配 型、捐獻、控制排異反應等,每個方面都很複雜,而且配型吻合者寥寥。
   德國圖賓根大學的科學家考慮,可否研製人工骨髓用於白血病患者的移植呢?這一想法的關鍵是模仿造血幹細胞生存的複雜微環境,涉及特殊材料和特殊結構。骨髓 中造血區域的骨頭高度疏鬆,類似海綿,這種環境不僅調節造血幹細胞和骨髓細胞,而且能實現多種類型細胞之間信號物質的高效交換。因此,研製人工骨髓既要模 仿骨髓的硬環境,又要模仿其他細胞(造血幹細胞之外的)組成的軟環境。
   研究人員在乙二醇液體中加入很細的食鹽,讓乙二醇聚合成半軟半硬的狀態,再放入水中使食鹽溶解,留下食鹽顆粒原來所占的空間,模仿出多孔如海綿的松質骨結 構。為了讓這個人工松質骨更容易吸附細胞,他們在聚乙二醇上連接特殊的氨基酸片段,模擬細胞與松質骨間的介面。最後,將造血幹細胞和骨髓幹細胞混合,一起 種入人工松質骨,組裝成人工骨髓。骨髓幹細胞及其後代能分泌多種化學物質,構成造血幹細胞需要的化學微環境。經過10天培養,一切如願,造血幹細胞數量和 比例大大提升,證明人工骨髓順利研製成功。
這種人工骨髓不僅為白血病的治療提供新思路、新希望,也為揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技術基礎。
奇妙的材料之八
納米電源
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摩擦也瘋狂
   在一些神話題材的影視劇中,神仙一伸手就有一道耀眼的電光射出,如雷雨時閃電一般斬妖除魔,神乎其神,賺足了眼球。這種本事普通人當然望塵莫及。我們最多在秋冬的夜晚,黑暗中手碰到帶化纖布料的衣服時,因摩擦而放出幾個電光小火花,一閃就消失。
   摩擦起電與靜電是日常生活中非常普遍的現象,但能量很微弱,也很難收集和利用,成為人們忽略的一種能源形式。不過現在不同了,普通人隨手放電很可能成為實現,而且電的來源就是摩擦。
   有的材料受到外力作用時,能將機械能轉變成電能,這被稱作壓電效應。美國佐治亞理工學院的華裔科學家王中林教授2006年發現,氧化鋅納米棒受力彎曲時會產生微弱的電壓,於是他想到用納米棒做成納米電源。
   當時的納米電源電壓僅為0.006~0.009伏。幾番改進後,電壓可達0.15~0.35伏,仍無大用。為了提高放電電壓、加大電流,研究人員來回撥動納米棒,結果得到了交流電,實現最高電壓37伏、最大電流12微安的不錯成績,但還是不堪大用。
   這時有人想到摩擦起電,將摩擦與納米電源聯繫起來:將兩塊材料的摩擦面做成齊整密佈、具有壓電效應的納米結構。這樣兩塊材料來回摩擦,會產生群體壓電效 應,造成群體納米電源疊加。說起來容易做起來難,橫向摩擦很容易損壞納米結構、磨平接觸面。他們的解決方案是,不讓兩塊材料做水準摩擦,而做上下移動。也 就是將兩塊材料的納米結構插入對方的縫隙,造成摩擦起電,就像兩隻手的手指不斷交叉、分開,來回摩擦。這樣手就是柔性薄膜,手指就是納米電極,在它們間實 現摩擦起電,從而創造了電壓達18伏的摩擦納米電源系統。
   這樣的摩擦式納米電源已經可以為體積很小的微-納電子器件供電,可使這樣的器件結構變簡單,生產工藝簡化,製造成本下降,使用壽命延長,利於大規模工業化生產與實際應用。
   日常生活中存在很多低頻率的來回運動或振動,這些低頻機械能能否轉化為電能呢?科學家開發出以鋁-聚四氟乙烯塑膠為電極的納米電源,在2~200赫之間都 可發電。頻率為14.5赫的機械運動最高輸出電壓達287.4伏,大大高於日常用電電壓220伏的標準。北京大學的張海霞教授進一步將電極做成特殊的 明治結構,摩擦頻率在5赫時,電壓甚至可達320伏!
現在開始將你的雙手十指相扣來回搓動吧,看看每秒能搓動幾次。戴上用柔性納米摩擦電極材料做成的手套後,能否實現220伏電壓的輸出,能否驅動若干電器,能否如神仙般隨手放出閃電,就看你的雙手了。
奇妙的材料之九
木材
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古老偏好的復活
   世界人口越來越多,城市越變越大,我們的生活方式將不得不越來越高層化。未來的摩天大樓很可能要用常規建築材料:生產能耗很大的鋼筋和水泥。當然了, 也可能使用一些目前實驗室裡剛研製的新材料,也許是石墨烯——一種備受歡迎的碳材料,力學強度是等品質鋼的100倍以上;也許是其他超強的納米材料。
   但是,還有一種可能:摩天大樓是用木頭蓋起來的。
   木頭是最古老的工程結構材料,它容易獲取,用起來也沒什麼浪費,如果砍伐得當,也是可再生、可持續的資源。隨著社會進步,高層建築興起,木材因其支撐強度有限,使用率逐漸下降。近年來,情況悄悄發生了變化。以木材為基礎的材料又開始用於高層建築上。
   把針葉林木材一端做成鋸齒形結構,互相插接,再用膠水加固,既輕巧又堅固,這種材料在建築領域掀起了應用高潮。澳大利亞墨爾本維多利亞港有一座10層高的 建築叫福泰大廈,2012年建成,就是用木材建成的公寓樓,也是世界上最高的木質結構建築。不過,這個紀錄很快就要被打破。坐落在挪威貝根市的一棟高 49米的14層居民樓,也是木材建的,預計2015年下半年就會完工。
   美國一家著名的建築公司研究認為,用木頭為主要材料建造一幢125米高的摩天大樓,在技術上完全可行,木頭之外只要輔以高強度的水泥連接即可。經測算,這種建築的能耗和溫室氣體排放量(碳足跡)只是鋼筋混凝土建築的25%~40%
   摩天大樓越來越垂青木材,說怪也不怪,我們姑且稱這樣的大樓為摩天木樓吧。20143月,美國農業部聯合一家木材加工設備公司宣佈,將投資200萬美元(約1200萬人民幣)重獎探索讓摩天木樓”“長命百歲的方法,為未來建造摩天木樓奠定理論基礎。
   重賞之下必有奇才。英國劍橋大學的植物生物化學家鮑爾·杜普利考慮,可以充分利用植物體內的抗壓結構。細胞外層的剛性細胞壁為植物提供了足夠的力學強度, 但在分子層面上,這個力學強度來自何處,人們所知寥寥。我們雖然知道細胞壁裡有纖維素、木質素和各種多糖分子,可這些成分如何組裝起來才能獲得最高的力學 強度?杜普利覺得要找到摩天木樓長久於世的方法,切入點就在這裡。
   杜普利和建築師以及高分子專家組成的團隊已獲得了一筆資助,開展細胞壁分子結構的研究。他們用不同樹種的木材製成樣品,放入磁共振儀內,測定樣品內的化學 分子結構。他們的短期目標是找到幾種高分子物質,希望它們注入木材後能起到加固作用;長期目標是希望破譯細胞壁分子結構的資訊,從而進一步從遺傳角度設計 出強度更高、可用作建造摩天木樓的樹木新品種。
   除了建築,木材在其他領域也大有用武之地。木材及其衍生品可用於生產生物燃料,也有人設想將其做成柔軟又便宜的紙製品,替代矽製造電子產品——或許未來的電腦將擁有紙做的晶片。
看來,所謂傳統與未來或許只有一步之遙。只要有21世紀的知識與眼光就不難推測,傳統材料經過一番改造就能變身為未來的材料。
奇妙的材料之十
新型甲骨
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再續文明數千年
   前文講到,指甲蓋大小的記憶玻璃就能夠存儲一座圖書館的資訊,饋贈給幾億、幾十億年之後的人類。這可能使未來的社會失去一個職業——考古學家,但會催生另 一個職業——“古電腦學家。因為這些指甲蓋大小的圖書館所藏的內容,必須借助我們現在使用的電腦才能閱讀、觀看。經過如此漫長的滄海桑田、宇宙變幻,很 難說未來的人類還會保留現在這些閱讀工具。連我們自己都懶得去閱讀十年、二十年前的所謂電腦檔,更早早把那時的電腦扔到不知哪個垃圾場、哪個廢品收購 站,又不知回收用來做了什麼,更何況上億年之後的人呢?我們以今人之心,度億年後人之腹,估計那時只有古電腦學家才能讀懂指甲蓋文獻,以及大量保 存的網路資訊,普通百姓恐怕難有問津。
   不過,有一種可能性似乎更大一些。那就是把資訊寫在石頭上,恐怕將來還有普通人收藏、玩一玩、看一看。至少我們現在還有興趣看一看5000年以前甚至史前 人類刻在石頭上的岩畫——雖然粗獷、古樸,卻是先民們給後人展示的當時的生產方式和生活場景。岩畫遍及世界五大洲150多個國家和地區,包括中國。岩畫中 的各種圖像構成了文字發明以前原始人類最早的文獻
   文字發明以後,人類將資訊記錄在動物的骨頭上,形成甲骨文。我們現在還能夠讀到距今3400—3100年前的甲骨文文獻。現在使用的漢字由甲骨文演變而來,我們能夠借助詞典閱讀甲骨文,甚至有人模仿甲骨文的用筆、結構等練習書法。
   甲骨文是鐫刻或寫在龜甲和獸骨上的文字。有趣的是,龜甲和獸骨的化學成分和分子結構與人體骨骼相同,都是羥基磷灰石。人類的活動常與事故和疾病相伴。為修 複人體因各種事故、病損(骨腫瘤切除)、脫落(牙齒)所造成的骨缺損,近20年來全世界有大量科學家投入研究,人工合成、修飾、加工羥基磷灰石,期望能解 除傷者和患者的痛苦。由於天然骨的羥基磷灰石有特殊的納米結構,科學家需要合成納米級羥基磷灰石。在此基礎上,才能仿生製備有活性的人工骨,説明骨骼迅速 恢復健康。
   中國科學院上海矽酸鹽研究所的科學家朱英傑教授,在用水熱法探索廉價、快速、大量合成羥基磷灰石的研究中,偶然發現得到的納米羥基磷灰石又細又長。當時朱 英傑教授就產生一個大膽的設想,可否合成大量又長又細(保持納米級直徑)的納米線,像紙漿纖維那樣做成大片紙張呢?這樣醫生可以剪取任意大小、任意形狀的 紙片,任意疊加厚度,方便輕鬆地修補奇形怪狀的骨缺損,也許可以就此解決羥基磷灰石臨床應用的最後一道難題。
   於是朱英傑教授調整配方,輔以超聲波控制合成過程,終於合成長納米線,製造出羥基磷灰石紙。這種紙又白又軟,可折疊,不含任何有機成分,只是石頭本質(羥 基磷灰石嘛),耐腐蝕,零污染。尤為奇特的是它不怕火,1000以上的火焰燒烤,上面書寫的文字也不會消失——這不是人類書寫的最好載體嗎!
   人類自從有書籍以來,記錄在書籍裡的文明有多少次葬身於火海!遠的如秦始皇焚書坑儒(竹簡寫成的書),近的如1932年日本帝國主義進犯上海,焚毀了商務 印書館當時號稱東亞第一的圖書館,全部46萬冊藏書,以及價值連城的善本孤本圖書從此絕跡人寰。用紙做成書來承載文明,實在太脆弱了。朱英傑教授希望自己 不經意間發明的新書寫載體,從此保全人類文明免於火災,至少可用于需要永久保存的檔案。
   不過,這種羥基磷灰石紙與人體細胞的關係不太好,細胞不太願意待在紙上繁衍生息,為主人連接骨頭修復損傷。這讓朱教授頗感沮喪。不過,他的成果已經令全世界為之轟動,在發明了與甲骨成分和結構相同的新型書寫載體的成就面前,小小沮喪又何妨?
   要給後世,比如3000年後的人類,留下今人輝煌的文明,恐怕還是把資訊書寫于現代甲骨——柔軟、耐火、永遠潔白的羥基磷灰石紙上更好,這樣每一位普通人不用借助古電腦即可流覽、閱讀、思考。
  
(本文作者翟萬銀,博士,現為中國科學院上海矽酸鹽研究所生物材料與組織工程研究中心副研究員,《無機材料學報》編輯部副主任。)

 

轉載自上海"科學畫報"2015年第2期