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材料的進(jìn)步在很大程度上帶領(lǐng)著科技的進(jìn)步，對(duì)材料的認(rèn)識(shí)也彰顯了人類自身對(duì)于世界的認(rèn)知程度。早在文藝復(fù)興時(shí)期，近代科學(xué)家就已經(jīng)開始了科學(xué)的研究探索化學(xué)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(duì)材料的認(rèn)識(shí)和發(fā)現(xiàn)貫穿著整個(gè)近現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的歷史。
當(dāng)前，即便由石墨烯及其衍生物帶來的種種技術(shù)創(chuàng)新讓我們已經(jīng)窺見被顛覆的明天世界，但研究仍將繼續(xù)。不可避免的是，其他材料也將被相繼發(fā)現(xiàn)，為人們展現(xiàn)目前難以想象的更加遠(yuǎn)大的技術(shù)前景。在這些備選項(xiàng)里，可編程材料是極其重要的一個(gè)選擇。
傳統(tǒng)材料和可編程材料
可編程材料，簡單來說，就是可以通過外部信號(hào)的應(yīng)用來改變形狀或行為，而這種信號(hào)可能來自電場、外部施加的壓力，或者其他局部性質(zhì)的操控。
基于可編程材料而發(fā)展的可編程材料技術(shù)，就是可以向材料傳導(dǎo)或者輸入的數(shù)字電子信號(hào)，甚至可以是腦電波經(jīng)過編譯之后的信號(hào)，以及熱信號(hào)和光信號(hào)等，材料根據(jù)輸入的特定信號(hào)而被誘導(dǎo)作用，從而定向、有序地改變分子間的排布和分子間結(jié)構(gòu)，甚至是破壞固有分子形態(tài)，產(chǎn)生超出原本屬性的物理表現(xiàn)。
這跟傳統(tǒng)的材料制備和合成工藝有著根本上的區(qū)別，傳統(tǒng)的大規(guī)模材料制備工業(yè)中，只能粗糙地，不能精確地制造出所需要的部件，工藝過程中不可避免地會(huì)讓零件或者材料產(chǎn)生缺陷和變形或者功能和性質(zhì)上的偏差，從而難以適應(yīng)未來越來越嚴(yán)格的精細(xì)和高度定向的材料設(shè)計(jì)要求。
而可編程這個(gè)概念，則將計(jì)算機(jī)語言精細(xì)功能化、模塊化、智能化的基礎(chǔ)特征融入功能材料設(shè)計(jì)與制備工藝中，通過數(shù)控終端用自動(dòng)化、智能化的匯編語言來實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的進(jìn)行定向地精確地光誘導(dǎo)、熱處理、表面化學(xué)合成、修飾、刻蝕、電磁激發(fā)等各種物理化學(xué)處理。
以我們?nèi)耸忠徊康闹悄苁謾C(jī)為例，如果我們想要在智能手機(jī)或平板電腦上閱讀一些新聞，要想找到閱讀新聞的應(yīng)用程序并打開這個(gè)程序，我們就需要用到觸摸屏。觸摸屏是一種分層堆積的透明材料，與電子設(shè)備中的視覺顯示和電子控制系統(tǒng)集成在一起。
當(dāng)受到壓力時(shí)，屏幕會(huì)以預(yù)編的方式進(jìn)行響應(yīng)，與設(shè)備的電子控制系統(tǒng)連通，從而得到所需的結(jié)果——當(dāng)屏幕被觸碰時(shí)，它的電性質(zhì)將發(fā)生改變。一些觸摸屏?xí)眠@種變化實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，并控制設(shè)備的響應(yīng)。雖然壓力與電性質(zhì)在物理學(xué)上有很大差別，但它們產(chǎn)生的功能是一樣的。此類預(yù)編的響應(yīng)結(jié)果包括打開或關(guān)閉設(shè)備、打開或關(guān)閉應(yīng)用程序輸人文本等。
可編程材料的優(yōu)勢是顯而易見的。一方面，可編程材料將實(shí)現(xiàn)材料的精確化。當(dāng)前，由于科技的限制，許多要求在微觀尺度下進(jìn)行加工或者制備功能材料的工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論的要求，更不要說是工藝步驟中產(chǎn)生的絕對(duì)誤差，而可編程材料無論是表面物理化學(xué)處理，還是微納米結(jié)構(gòu)材料的加工或合成，都能夠?qū)崿F(xiàn)一種更加微小的、集成化的精細(xì)加工，在形狀，物理化學(xué)性質(zhì)等方面對(duì)局部都做到近乎理想情況的水平；另外，由于計(jì)算機(jī)語言量化的特性，決定了可編程材料在加工制備的過程基本不會(huì)有無意義的消耗。
另一方面，作為處于數(shù)字化工藝生產(chǎn)的終端的材料本身，在傳統(tǒng)工藝上步驟分離的加工方式在可編程材料上將像現(xiàn)代硅基半導(dǎo)體芯片一樣進(jìn)行集成化，這種集成化不僅僅只是在將多步驟的工藝融合到一體一步的地步，并且不同化學(xué)物理的加工處理方式上也將統(tǒng)一到同一個(gè)基體內(nèi)，連續(xù)化的工藝將減少產(chǎn)品生產(chǎn)的不可預(yù)計(jì)的誤差產(chǎn)生。
另外，由于未來計(jì)算機(jī)語言將具有明顯學(xué)習(xí)特征，可編程材料作為處理命令的一部分也將服從系統(tǒng)的智能特性，能夠應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜情況做出正確選擇，另外智能化的推進(jìn)也將大大增強(qiáng)可編程材料自我修復(fù)和彌補(bǔ)的功能。
可編程材料臨近
當(dāng)前，可編程材料已經(jīng)悄然進(jìn)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(shí)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(fèi)品和工業(yè)品中都有所應(yīng)用。比如，牙套的弓絲，人體的熱量會(huì)給鎳鈦諾制成的弓絲加熱，導(dǎo)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(shù)中植入的支架；恒溫控制器，用于需要讓形狀隨溫度發(fā)生變化的地方；以及控制太空系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)設(shè)備。事實(shí)上，自從鎳鈦諾在 1959年被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家?guī)缀踉诿磕甓寄馨l(fā)現(xiàn)新的用途。
顯然，擁有超強(qiáng)形狀記憶功能的材料將在日常生活中發(fā)揮非常實(shí)用的功能。比如，在停車場撞彎保險(xiǎn)杠時(shí)使用這種材料修補(bǔ)汽車的輕微損壞，不難想象，汽車保險(xiǎn)杠或側(cè)板所采用的材料，平時(shí)呈現(xiàn)的是某一種形狀，但它們?cè)诩訜峄虮┞对谔囟úㄩL的光線下時(shí)，又會(huì)呈現(xiàn)出另一種形狀。技術(shù)人員也許只需將保險(xiǎn)杠置于精準(zhǔn)調(diào)校的“汽車修理燈”下，它就能自動(dòng)恢復(fù)到原狀。這樣，人們就無需為汽車提供其他昂貴的修理服務(wù)或更換配件。
這項(xiàng)技術(shù)同樣適用于飛機(jī)，使之隨著飛行環(huán)境的改變不斷調(diào)整形狀，并依據(jù)當(dāng)?shù)貤l件優(yōu)化性能。大多數(shù)運(yùn)輸工具都只能保持一種固定形態(tài)，但如果運(yùn)輸工具可以根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件巧妙地改變形狀——比如，汽車、飛機(jī)或船只都能夠稍微變化外殼形態(tài)，就可以提高幾個(gè)百分點(diǎn)的燃油效率，就像職業(yè)自行車手在下坡時(shí)對(duì)騎行姿態(tài)做出細(xì)微調(diào)整，以便充分利用最后一點(diǎn)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(huán)境的改變呈現(xiàn)出不同的電性質(zhì)。姜-泰勒金屬的名字來自姜-泰勒效應(yīng)，該效應(yīng)形容在低壓環(huán)境下，電子狀態(tài)下呈幾何排列的分子和離子能發(fā)生扭曲，這種新物質(zhì)狀態(tài)能讓科學(xué)家通過簡單施壓將絕緣體（不能導(dǎo)電）變?yōu)閷?dǎo)體。
曾有實(shí)驗(yàn)嘗試將可編程材料與C60結(jié)合在一起。由60個(gè)碳原子構(gòu)成的巴克球在充入金屬銣之后，一旦承受壓力，就會(huì)變?yōu)樽闱蛐螤?，而在壓力減弱后又可恢復(fù)為正常的球形。想在單分子水平上控制任意數(shù)量的“開/關(guān)”系統(tǒng)，那樣的響應(yīng)性分子是成功的關(guān)鍵——要知道，“開/關(guān)”系統(tǒng)正是數(shù)宇革命的基礎(chǔ)。
不僅如此，其他材料所具有的 “開關(guān)” 潛力也逐漸顯現(xiàn)出來，索烴和輪烷是屬于機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)（MIMAs）的兩類納米材料，分別于 1983 年和 1991 年受到廣泛認(rèn)可，并讓-皮埃爾·索瓦日（ Jean-Picrre Sauvage）和弗雷澤·斯托達(dá)特爵士（Sir FraserStoddart）憑借這兩種材料在“分子機(jī)器設(shè)計(jì)與合成”中的應(yīng)用，獲得2016 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
索烴屬于機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，看起來像是兩個(gè)相互鎖在一起的環(huán)。這種材料是由長長的分子鏈構(gòu)成的，這些分子鏈彎曲成環(huán)狀，首尾街接，形成永久性的閉合環(huán)。環(huán)與環(huán)之間也會(huì)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(tǒng)，而超分子系統(tǒng)不再僅僅由一個(gè)孤立的分子構(gòu)成。
輪烷則類似于一個(gè)啞鈴，手柄處圍繞著一個(gè)獨(dú)立的環(huán)。分子較粗大的部位構(gòu)成了啞鈴末端的“砝碼”，可以防止套環(huán)滑脫。套環(huán)和手柄之間發(fā)生強(qiáng)烈交互作用的地方稱為基點(diǎn)。在遇到適當(dāng)條件時(shí)，套環(huán)可在基點(diǎn)之間穿梭或跳躍。
經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，他們可以預(yù)先設(shè)計(jì)出套環(huán)和手柄之間的引力，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿套。這意味著索烴和輪烷將成為可編程材料，另一種化學(xué)反應(yīng)將增加套環(huán)/手柄超分子系統(tǒng)的重量，從而困住套環(huán)，使其成為整個(gè)系統(tǒng)的一部分。
未來科技的“基建”
當(dāng)然，當(dāng)前的可編程材料的應(yīng)用還只停留在淺層，長遠(yuǎn)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(jī)器人的應(yīng)用中，可編程材料就將發(fā)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(lián)合研究小組共同開發(fā)出一種納米機(jī)器，只需向它添加某種光線，科學(xué)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(gè)固定基點(diǎn)，同時(shí)輪烷的一個(gè)砝碼將手柄與一個(gè)特制的斜面連接起來。
在常態(tài)下，液體會(huì)沿并斜面向下流動(dòng)，原理也很簡單，就是重力的作用而已。研究人員發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，經(jīng)輪烷改造的斜面同樣會(huì)讓液體向下流動(dòng)。然而，當(dāng)他們利用一種特殊光線照射輪烷改良后的斜面時(shí)，液體便會(huì)違反重力作用，向上流動(dòng)。究其原因，光線照向斜面時(shí)會(huì)被輪烷環(huán)吸收，從而賦予了輪烷環(huán)充足的能量，使其能夠從一個(gè)基點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)基點(diǎn)。當(dāng)輪烷環(huán)躍至第二個(gè)基點(diǎn)時(shí)，頂部的砝碼便會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生排斥。
基于此，重新設(shè)置好光線位置后，研究人員就能夠使整個(gè)水滴沿晶片向上滾動(dòng)。光源關(guān)閉之后，輪烷環(huán)將回到原始基點(diǎn)，液滴也將隨之沿品片向下滾動(dòng)。
這意味著，量子級(jí)作用力經(jīng)過疊加便會(huì)在產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。更重要的是，這種巨大效應(yīng)將會(huì)在包括納米機(jī)器人在內(nèi)的技術(shù)中產(chǎn)生真正的價(jià)值，比如，幫助分子向特定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，通過注入物體實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)精確手術(shù)等。理查德·費(fèi)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(jī)器人在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，在當(dāng)時(shí)，這些應(yīng)用顯得非常遙遠(yuǎn)且異想天開，而現(xiàn)在，人們已經(jīng)通過更深入的研究看到了這些應(yīng)用的未來和希望。
可編程材料另一項(xiàng)重要的應(yīng)用是在4D打印中的應(yīng)用。4D打印技術(shù)于2013年由麻省理工學(xué)院首次進(jìn)行展示：將采用4D打印技術(shù)制作而成的聚合物鏈條置于水中，鏈條自動(dòng)折疊形成預(yù)先設(shè)計(jì)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(chǎn)生形變，形成預(yù)定的形狀。
與3D打印技術(shù)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(shè)計(jì)自由度、無需模具等優(yōu)點(diǎn)不同，4D打印采用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)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(chǎn)生形狀、性能和功能的變化?？梢哉f，可編程材料的應(yīng)用正是4D打印實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
實(shí)際上，4D打印技術(shù)的誕生就與可編程材料的研究密切相關(guān)。2007年，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開展了“可編程物質(zhì)”項(xiàng)目研究，該項(xiàng)目旨開發(fā)出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉(zhuǎn)變成理想或有用形態(tài)的智能材料，實(shí)現(xiàn)根據(jù)需求在現(xiàn)場快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據(jù)指令改變形狀。在未來，4D打印還將在多領(lǐng)域展現(xiàn)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(xué)革命的重要組成部分，并且在社會(huì)生活中得到今天難以想像的應(yīng)用。（本文首發(fā)鈦媒體APP）
