唐承革

当提到“感知”能力时，人们自然而然地与生物联系起来，因为只有生物才具有感知外界环境变化的感觉器官。但是，随着科学技术的进步，人类将自己的智慧浇注到材料中，使无生命的材料也变得“聪明”起来，具有“感知”能力了。现在已经有很多材料具有不同的感知能力，人们称这些材料为“智能材料”，也就是说这些材料能够像生物体一样感知周围环境或内部状态的发生，自动地做出适时、灵敏和恰到好处的反应，并具有自我诊断、自我调节、自我修复等功能。智能材料是材料学研究中最热门的课题，现在已经研究出具有各种各样“智能”的材料。下面介绍几种最近报道的具有“感知”能力的智能材料。

能发出危险信号的材料

在人们的日常生活中，红色信号往往与危险联系在一起：马路上的红灯亮了，车辆必须停止行驶，否则有两车相撞的危险：救护车上的红灯亮了，说明车中有病危病人需要急救；当司机踩刹车时，明亮的红色尾灯警告后面的车辆必须减速；当一个人受伤的时候，轻者受伤的部位皮肤发红，重者将流出红色的血液……那么，如果一个建筑物或桥梁内部的材料有损坏，怎么办?如果它也能发出红色的警报，就可以及时通知工程人员检修，避免建筑物倒塌，拯救更多的生命财产。

最近，研究人员开发出了一种能够在机械压力下变换颜色的固体聚合物。今后，利用这项技术研制出的材料将能够在建筑物断裂或引发化学反应之前发出信号，从而使得工程师能够在建筑物遭遇更大的压力之前加固它们。

两年前，这个研究小组在聚合物链的中央放入一种特殊的分子。在这种分子里，原子们通过化学键“手拉手”地组合成一个小环状，如果受到外力的作用，这种分子的小环出现断裂，则其他的分子就会变成红色，这样聚合物就变成红色了。

这种能够变化颜色的聚合物用途很广，例如将其涂在任何物体的表面，就能够在这些物体出现崩溃之前引起工程师的注意。应用相同的策略还可以设计出一系列具有不同功能的多种类的特殊分子，例如，通过它引发一种自我治愈的化学反应，将它们嵌入到聚合物分子中，那么，断裂的材料就可以自动修复了。

可“自愈”的聪明材料

人和动物受伤后可自愈，材料损坏后是否也可“自愈”呢?这是几世纪以来工程师们梦寐以求的愿望。以前也曾报道过有关可“自愈”材料，但是大多数产品既复杂又昂贵，应用到日常生活中有障碍。通过材料科学家的研究，这种自我修复的材料便宜多了，也简单多了。最近，自动愈合材料领域新发现层出不穷，很多国家的科学家报道了他们研制的可“自愈”新材料和新产品，下面举几个例子。

▲2008年在10月9日的帕萨特cc发布会上，德国大陆轮胎公司为其新发明的轮胎架设了一座展台，展示了神奇一幕：把一根长长的钉子刺进轮胎后，稍稍转动轮胎，钉子造成的伤口竟在短时间内愈合了。这种轮胎所用的橡胶材料内部含有数百万个充满液体的微型胶囊，这些胶囊壁厚0.1毫米，细如发丝却威力无穷。一旦橡胶材料表面出现了裂纹，胶囊壁就会破裂并释放出液态的“修复剂”，在催化剂的帮助下，修复剂涌入裂缝，瞬间弥合。采用这种技术的轮胎的寿命会延长两三倍。测试表明，自我修复系统将受损材料的强度恢复到原来75％。

▲法国科学家发现了一种可以不借助任何黏合剂就能自我修复的弹性材料。这种神奇的新材料是由从植物中提炼出的脂肪酸合成的，是由众多小分子结构混合成超大分子网络结构而成。一旦这种超大分子网络结构被打破而出现碎裂，其中的小分子就会自动重新回到结构中，并表现出原有的弹性。这种新材料的自动修复功能不是一次性的，而是可以重复实施多次自我修复，如果将这种材料扯成两段，在几小时内将两处断口放在一起，它们仍然能够黏合在一起。这种新材料的应用领域将十分广阔，它可以做成“永不摔坏的玩具”、“永不磨损变形”的鞋底、“长寿”发动机等。目前，已有两大系列的这类新材料产品准备投放市场，如不变形的超级沥青和有强抵抗力的超大分子结构的塑料制品。

▲美国科学家利用树脂和碳纤维等物质合成了一种能感知裂缝并自动修理裂缝的新型合成材料。这种材料具有一定的导电性，如果材料中出现裂缝，裂缝附近的电阻就会增强，从而可以感知裂缝。同时，裂缝附近会因电流产生热量，使材料中一种低熔点的特殊粉末很快受热溶化并流入裂缝。在材料降温后，流入裂缝的液体会快速凝固，裂缝部位就得到修理，强度可恢复到原有水平的近一半。

▲飞机和飞船使用时间长了，外壳会出现小孔和裂缝，机械师在例行维护检查中也能发现此类问题。不过，英国科学家开发了一种特殊的复合材料，合成材料是由空心纤维制成的，在纤维中塞满环氧树脂。一旦有空洞或裂缝出现，环氧树脂就会流出来，封住破裂处。研究人员给环氧树脂加上颜色，使机械师更易于发现修补处，以便进行永久性修复。这种方法能处理肉眼很难看见的微小损伤，为受“微伤”的飞机和航天器消除隐患。研究人员认为，这项技术会在4年内投入商业使用。

▲美国科学家最近发明一种可自动愈合消除划痕的涂料。只需阳光照射15到30分钟，具有“自愈”能力的涂料上的划痕就能自动消失无踪，汽车油漆可能被恢复到新车的程度。这种材料含壳聚糖。壳聚糖是来自蟹壳、龙虾壳、虾壳和叫作氧杂环丁烷的一种有机化合物。当涂层被划后，氧杂环丁烷的环就会被破坏，化学反应活性部位就会被暴露。紫外线会爆裂壳聚糖分子，另一反应活性部位就暴露在外。氧杂环丁烷和壳聚糖彼此吸引，粘结和闭合划痕。这种自我修复材料的用途极广，可以被用于任何易划的物体，例如，压缩光盘、太阳镜、iPod屏幕、手袋、鞋子甚至家具。专家称，虽然目前这种材料仍处于实验阶段，但是可能5年内就能上市。

感知温度和压力的材料

尽管人造手在行动和灵活度上日益逼真，但是与真正人手的最大不同是人造皮肤没有感觉。现在，很多国家的科学家们正在研制可知冷暖的人造皮肤，使人造手更逼近于人的手。美国科学家约翰·西姆普森博士说：“通过运用碳纳米管技术，我们造出的人造皮肤不但可以接近真实皮肤特性，甚至可以超越这些特性。”他们使用纳米管的原因是因为由其制成的材料有很多有用的特性。例如，纳米管制成的材料可以作为温度和压力传感器、柔软的电导体，或者是作为具有类似人类皮肤性质的聚合材料的一部分。此外，纳米管中的碳不会引起人体免疫系统的排斥，避免人体的不良反应。将来，科学家们还可以利用纳米管研发与人神经系统相连的传感器，使人造皮肤的信息传送到大脑。

现在，美国科学家已经研制可以防水并感知温度和压力变化的皮肤。美国宇航局的专家将传感器植入机器人的皮肤覆盖层中，可使机器人更出色地完成太空探索任务。研究人员后来还研制了能够产生压觉和温觉的机器人皮肤。日本东京大学的研究员最近研制出一种既能导电，又能像橡胶一样伸缩的新材料，并用此材料制成机器手。这种新材料伸缩性能非常好，同时由于利用了导电性能好的“单层碳纳米管”，使材料的导电率很高，即使将其拉伸，导电率也不会发生改变。运用这种材料，可以使得机器人的皮肤既具有弹性，又能感知热度和压力。

总之，这些“感知”材料的发展前途是十分广阔的，如果真正应用到我们的日常生活中，将会使人类的生活发生巨大的变化。(文章代码：1611)

责任编辑蒲晖