“超级材料” 大盘点

发布于:2016-01-27 13:48:43
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    有这样一些材料,它们很神奇,是即将改变我们生活的材料“超人”。


“超级材料”大盘点

文/南晓
    

    比钢铁更坚硬的陶瓷?像空气一样轻的砖?这些听上去不可思议甚至互相矛盾的说法,并非痴人说梦,而是近年来人类在材料科技领域所取得的重要进展。其中许多成就在投入实用后,将改变我们的生活。这些前所未有的成就,可以统称为超级材料,它们是材料界名副其实的“超人”。

    “无冕之王”石墨烯
    
    石墨烯是人类发现的第一种由单层原子构成的材料。从外观看,它是像棉花一样的黑色絮状物。它的结构是碳原子相互连接成的六角网格,也就是一层薄到可以忽略厚度的碳原子膜。这种材料看似弱不禁风,却拥有一系列强大的特性,比如超轻,比如导电性可达铜的几十倍而几乎不产废热,比如硬度可达钢材的十倍等等。它甚至被称为迄今为止人类找到的最薄、最坚硬、导电性最好的纳米材料。

    石墨烯在材料科学界并不是新鲜事物。从概念提出到实验室第一次制备出实物,已经有几十年时间。但因为迟迟找不到大规模制备石墨烯的好办法,拖慢了它进入实际应用的步伐。而就在2014年,有中国企业宣布建成投产世界上最大规模的石墨烯生产线,年产石墨烯300吨,每克成本仅3元,率先实现了石墨烯的低成本量产。这被视为石墨烯实用化的关键突破。而最可贵的是,这项制备技术来自中科院的相关研究,拥有完全自主知识产权。
    
    对于石墨烯的前景,因为用胶带制备出石墨烯而获得2010年诺贝尔奖的诺沃肖洛夫曾经说:“石墨烯的真正潜能只有在全新的应用领域里才能充分展现:那些设计时就充分考虑了这一材料特性的产品,而不是用来替代现有产品里的其他材料。”
    
    随着石墨烯产业化步伐加快,业界普遍认为,它将给IT、汽车、医疗、航天航空等诸多产业带来革命性影响。

    可以说,如果要给目前所有超级材料排座次,那么,石墨烯将无可争议地成为超级材料方阵的“无冕之王”。

    “老树新芽”纳米陶瓷

    创造超级材料的思路之一,是通过人工设计物质的微观结构,设计出具有一些独特属性的材料。比如纳米陶瓷。
    
    陶瓷,是人类历史上的第一种人造材料。据考古发现,陶器在距今至少两万年前就已经出现在中国,瓷器更是中华民族的文明瑰宝。如今,陶瓷这种古老的人造材料,正发展出新的奇迹。这就是美国麻省理工学院的科学家创造出的纳米陶瓷。
    
    一直以来,材料的硬度和密度有紧密联系。密度越大的物质,硬度才能越硬,这也是一种从未被颠覆过的常识。不过,在纳米级的3D打印烧灼技术的参与下,这种联系出现松动、瓦解。材料的硬度不再受限于密度,对于纳米级材料,密度很低,硬度也可以很高。

    当陶瓷制成的管壁只有10纳米厚时,就会变得具有弹性,在压力下会弯曲,压力消失后会恢复原状,就像橡皮一样。同时,这种纳米级别的“陶瓷微雕”又轻又硬,超过钢铁。
    
    虽然都叫纳米陶瓷,但这种陶瓷与现在市面上能见到的那种“纳米陶瓷”在本质上完全不同。目前,市场上能买到的纳米陶瓷,指的是在陶瓷材料的显微结构中,晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平,但其本身结构并不是人工设计的。
    
    让隐身衣成为现实的“超材料”
    
    超材料是近年发展起来的一类科技,关于它的明确定义,科学界仍有争议。所谓“超”,一般指的是这种材料具备一些与人们原本知道的物理规律相悖的性质,比如可以使光等电磁波发生“逆折射”,也就是负的折射率。而在这之前,人们以为自然界中所有材料的折射率都是正的,这也就是众所周知的折射定律。超材料的出现,打破了这一支撑了光学近500年的定律。
    
    目前,超材料主要包括左手材料、光子晶体、超磁性材料等。
    
    波士顿学院物理学家威利·J·帕迪利亚说,“当光线打击材料介质时会出现三种情况:光线被反射,比如光线照射镜面时;光线被传播,比如光线照射在玻璃窗户上时;最后一种情况就是光线被吸收并转换成热量。这种最新设计的超材料可以确保光线既不被反射,也不在其中传播,而是将光线完全吸收转换成热量。我们设计的超材料具有特殊的频率可以吸收所有打击在其表面上的光量子。”
    
    具有这种电磁性质的材料,可以帮助人类更加随心所欲地控制光,无论是可见光还是不可见光。这意味着,科幻电影中的隐身衣、全息立体显示,已经不再是纯粹的幻想。可以说,通向这些“梦之技术”的大门已经被超材料科学打开。

    “不可能”的无水碳酸镁

    1915年,在一次试验留下的废品中,英国冶金学家布列尔意外发现了不锈钢。其实在他之前,已经有多位科学家意外得到过不锈钢,但都没有重视,才让布列尔得到了这个名垂青史的机会。一百年后的今天,瑞典乌普萨拉大学的科学家也是因为一次意外,制造出了被称为“不可能材料”的无水碳酸镁。
    
    这种被称为“乌普萨利特”的材料是碳酸镁盐的一种形式,它的特点是吸水性超强,原因是内部充满了细小的孔洞,每个孔洞的直径都不足10纳米,每一克的碳酸镁就拥有800平方米的表面积,接近两个篮球场的大小。到目前为止科研人员为它想到的用途是干燥剂,从电子产品到清理漏油和其他液态废物。
    
    可烧死癌细胞的“纳米之星”
    
    中国科技大学教授曾杰课题小组把金和铜结合,发明了一种光热转换效率高、催化性能好的五角星形新型纳米材料——金铜合金纳米材料。这种被称为“纳米之星”的新型材料可有效治疗小鼠乳腺癌,从而有望开辟癌症治疗的新途径。
    
    据介绍,这种金铜合金纳米晶体在近红外区有很强的光吸收和光热转化能力。利用这一特性,他们往患有乳腺癌的小鼠体内注射30微克金铜合金纳米材料,并在肿瘤处用近红外激光照射10分钟,纳米晶体可吸收近红外光并转化成热,产生局部高温,从而杀死癌细胞。实验结果表明,每天照射10分钟,连续照射4天之后,小鼠体内的肿瘤消失了。
    
    曾杰说,包括人类在内的绝大多数哺乳动物的正常体温都在37℃~42℃之间,如果持续一段时间高温,癌细胞就会被“烧死”。从理论上讲,用这种办法治疗人类肿瘤是可行的。而且这种疗法无需手术、不损伤组织、副作用小,是更为理想的疗法。
    
    自愈塑料

    1907年,美国科学家列奥·贝克兰注册了世界上第一种合成塑料专利,他也因此被称作“塑料之父”。自此,人类社会进入了塑料时代。如今,塑料只被视为一种普通材料,在从宇宙飞船到服装餐具的各个领域广泛应用。人们享受着它的轻便、坚固、廉价,用完就毫不怜惜地随手扔掉,任它成为一种污染,也不觉得它有何特殊。其实,这种材料仍在发展着,并准备好了再让人们惊奇一把。
    
    比如,西班牙、美国科学家这两年就先后发明了一种神奇的可自愈塑料。
    
    所谓自愈塑料,就是在受到利器“划伤”后,可以像人的皮肤一样愈合成原状的塑料,而且它的“愈合”时间比皮肤要快得多,立等可现。不仅如此,这种神奇的材料在受创后,断面还会变红,就像出血一样,从而很容易引起注意。修复时,只要受到光照,断面就可以重新接合到一起。这种材料的出现,为各种交通工具和电子产品提供了理想的可修复表面。未来,使用了这种塑料的飞机部件,将更容易被发现细微损伤,然后用光照就可轻松修复,极大降低维护成本,提高飞机安全系数。相比许多其他塑料,它也更为环保,因为其生产过程基于水性塑料,毒性极低,可自然降解。

    各种超级材料的投入应用,将给我们的生活带来更多的益处。
        
       责任编辑:尹俊国
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