即將改變世界的10種材料

即將改變世界的10種材料

材料是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。在歷史長(zhǎng)河中，一種新材料的出現(xiàn)和利用，常常能夠促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，引起時(shí)代的變遷，推動(dòng)人類文明的進(jìn)步。一些對(duì)人類歷史起到舉足輕重作用的材料，甚至被歷史學(xué)家作為劃分時(shí)代的重要標(biāo)志。進(jìn)入21世紀(jì)，材料更是被視為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支柱之一。從某種意義上說(shuō)，未來(lái)世界會(huì)變成什么樣，人們將過(guò)上怎樣的生活，都和材料的發(fā)展有著密切的關(guān)系。下面，我們來(lái)看看即將投入使用并可能改變生活的10大“奇材”。

奇妙的材料之一

二維錫——電子飛馳的超高速公路

　  從外觀上看，我們的智能手機(jī)似乎挺靈巧可愛(ài)的，但承載信息傳輸?shù)碾娮釉谖⑻幚砥鞯男酒瑑?nèi)跑得并不那么有條不紊。美國(guó)斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家張首晟教授這樣形容電子在固體物質(zhì)內(nèi)部的運(yùn)行：“就像穿行于擁擠的菜市場(chǎng)，到處磕磕碰碰，似乎導(dǎo)電體內(nèi)雜質(zhì)成堆。”

　  如果你的手機(jī)充電幾小時(shí)后動(dòng)不動(dòng)就死機(jī)，或是熱得燙手，問(wèn)題就出在電子的雜亂運(yùn)動(dòng)。每次電子互相碰撞一下都會(huì)產(chǎn)生熱。電子器件內(nèi)紛繁復(fù)雜的電路里，電子產(chǎn)生的廢熱必須及時(shí)地、迅速地傳導(dǎo)出去，否則就會(huì)損傷電路。但在手機(jī)里這幾乎不可能做到，電腦內(nèi)也一樣。廢熱成了影響手機(jī)和電腦芯片工作效率的主要問(wèn)題。

　  如果有一種材料在傳導(dǎo)電子的時(shí)候沒(méi)有任何阻力，不產(chǎn)生任何熱，也就完全沒(méi)有上述煩惱了。過(guò)去的一個(gè)多世紀(jì)里，物理學(xué)家一直以為超導(dǎo)材料是最好的選擇，但研究來(lái)研究去，最后發(fā)現(xiàn)自己好像被超導(dǎo)現(xiàn)象給騙了——絕大多數(shù)超導(dǎo)材料只能在接近絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)才表現(xiàn)出超導(dǎo)特性。雖然科學(xué)家還在持續(xù)努力，但實(shí)現(xiàn)常溫超導(dǎo)恐怕還要再等一個(gè)世紀(jì)。

　  張首晟教授放棄超導(dǎo)另辟蹊徑。他于2007年在世界上首次合成了一類叫拓?fù)浣^緣體的奇特材料：內(nèi)部是絕緣材料，表面卻能導(dǎo)電，而且電子可以完全自由移動(dòng)。因?yàn)殡娮又皇菑谋砻娴脑由蟼鲗?dǎo)，產(chǎn)生了一種電子-自旋耦合量子相互作用效應(yīng)，消除了電子移動(dòng)時(shí)不斷掉頭的現(xiàn)象，也免除了電子從材料內(nèi)部“打洞”前進(jìn)的困難。與現(xiàn)有的電子產(chǎn)品中電子的移動(dòng)相比，拓?fù)浣^緣體上的電子傳導(dǎo)就像汽車從擁擠的街道駛上高速公路。

　  其實(shí)，拓?fù)浣^緣體上的電子傳導(dǎo)也不十分規(guī)矩，電子在材料的表面也時(shí)常做“回轉(zhuǎn)滑雪運(yùn)動(dòng)”，難以在一條軌道上直線飛馳，因而還會(huì)產(chǎn)生熱，仍有散熱的煩惱，除非將其冷卻到絕對(duì)零度附近，要不然電子不會(huì)老老實(shí)實(shí)地沿直線傳導(dǎo)。為解決這個(gè)問(wèn)題，張首晟教授設(shè)法制作了一種特別的膜——單層錫原子膜。它只有一層原子構(gòu)成，薄得不能再薄了，科學(xué)家稱之為二維膜。結(jié)果，電子們聽(tīng)話了，乖乖地沿跑道直線前進(jìn)。原因是，這么薄的膜對(duì)電子運(yùn)動(dòng)方向擁有超強(qiáng)的約束能力，不給電子選擇道路的機(jī)會(huì)，只能沿材料的邊緣移動(dòng)，而且低溫、常溫都一樣起到約束作用。

　  由于是真正的零產(chǎn)熱材料，這種膜可能首先被用于制造微處理器芯片的導(dǎo)線，可以極大地降低能源消耗和廢熱。當(dāng)然，這種膜也可以用作把熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的熱電材料。

不過(guò)，現(xiàn)在要大量做出真正的單層錫原子膜產(chǎn)品為時(shí)尚早，雖然很多人非常樂(lè)觀，但實(shí)際上都是紙上談兵。假如單層錫原子膜能做出來(lái)，實(shí)現(xiàn)表面100%導(dǎo)電效率，就會(huì)迅速應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。張首晟教授說(shuō)：“這一天，樂(lè)觀地估計(jì)要5年時(shí)間，客觀地估計(jì)要10年時(shí)間?！?/span>

奇妙的材料之二

記憶玻璃——給外星人的一封信

　  美國(guó)經(jīng)典科幻漫畫(huà)《超人》的主人公來(lái)自遙遠(yuǎn)的外星球，他具有地球人無(wú)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筑里，在那里他看到了一塊奇特的晶體碎片，立刻找回了自己兒時(shí)的記憶，想起了早已忘記的故鄉(xiāng)——原來(lái)那塊奇特的晶體碎片替他的大腦儲(chǔ)存了大量?jī)簳r(shí)的生活信息。假如人類也能將記憶永久地儲(chǔ)存于某個(gè)物體上，那不是一件令人驚奇的事嗎？

　  當(dāng)然，現(xiàn)在人類已有多種途徑儲(chǔ)存信息。但是，信息存在電腦硬盤(pán)里很容易丟失，存在軟盤(pán)里又很容易因高溫而損壞；即使這些硬盤(pán)或軟盤(pán)保存良好，也經(jīng)不起幾千次重復(fù)擦寫(xiě)。即使把信息儲(chǔ)存于DVD上且保存良好，幾十年后信息也會(huì)因?yàn)檩d體材料氧化而丟失。

　  長(zhǎng)期而安全地儲(chǔ)存信息，如今關(guān)乎每個(gè)人的工作與生活。雖然目前我們的方法遠(yuǎn)不及動(dòng)畫(huà)片中超人的記憶晶體碎片，但科學(xué)家正試圖徹底改變這一狀況。

　  早在1996年，美國(guó)哈佛大學(xué)的物理學(xué)家就設(shè)想，將信息寫(xiě)入一種耐久的、類似玻璃的透明材料。玻璃有很多優(yōu)點(diǎn)，它能抵抗高溫的炙烤、化學(xué)物質(zhì)的腐蝕和機(jī)械力的損傷，甚至還有防彈功能。按照哈佛大學(xué)物理學(xué)家的研究方案，寫(xiě)入信息只需用一束極細(xì)的強(qiáng)激光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；閱讀信息只需將玻璃對(duì)著光線，檢測(cè)刻痕處的圖案就行。

　  科學(xué)家為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想著實(shí)下了一番功夫，倒不是玻璃難造，而是激光束難以精確控制，稍不注意，刻出的微小圖案就有差錯(cuò)。好在這個(gè)問(wèn)題在剛過(guò)去的2014年得到了解決。日本日立公司一聽(tīng)說(shuō)這個(gè)成果，就迫不及待地想抓住機(jī)遇，要將這一技術(shù)用于熔融石英（一種類似玻璃的材料），開(kāi)發(fā)新型信息存儲(chǔ)產(chǎn)品，計(jì)劃2015年推向市場(chǎng)。

　  英國(guó)物理學(xué)家卡贊斯基也對(duì)這個(gè)技術(shù)感興趣。他考慮能否在石英上刻出同時(shí)帶有5種信息的刻痕，也就是不僅反映三維空間（長(zhǎng)、寬、深）的變化，還記錄入射激光脈沖的強(qiáng)度和偏振性。這樣信息儲(chǔ)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(wàn)億字節(jié)的信息，即可以存500萬(wàn)本每本10萬(wàn)字的書(shū)，差不多可以將一座大型圖書(shū)館塞進(jìn)2個(gè)“指甲”。而且，卡贊斯基依據(jù)測(cè)試結(jié)果推測(cè)，這種材料所儲(chǔ)存的信息可以耐1000℃高溫，可以逃過(guò)核爆炸的損毀，可以安然保存100億年，而地球自誕生到現(xiàn)在才45億年?！斑@個(gè)壽命差不多與宇宙同在，與日月同輝，真稱得上萬(wàn)壽無(wú)疆了?！笨ㄙ澦够湴恋卣f(shuō)。

　  現(xiàn)在，卡贊斯基和他的團(tuán)隊(duì)每秒可以在這樣的材料上寫(xiě)入1000字節(jié)（500個(gè)漢字），但他們并不滿足，正在加班加點(diǎn)地努力改進(jìn)寫(xiě)入信息的速度，希望可以達(dá)到每秒寫(xiě)入 1兆字節(jié)，那樣就可以配合錄像進(jìn)行實(shí)時(shí)儲(chǔ)存了。

　  在大數(shù)據(jù)時(shí)代的今天，每時(shí)每刻都會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，如何保存、如何調(diào)取是個(gè)特大問(wèn)題。比如，上海市目前絕大多數(shù)路口、商家門(mén)口都安裝了電子攝像頭，監(jiān)視來(lái)往車輛和行人的行蹤，非常利于警方破案。但每天這么多攝像內(nèi)容，信息量驚人，儲(chǔ)存還是不儲(chǔ)存？用什么儲(chǔ)存？存3天，還是7天，抑或3個(gè)月？如果存儲(chǔ)時(shí)間短，萬(wàn)一1年后破案要用就無(wú)從查閱了。

記憶玻璃技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用后，這些問(wèn)題將不再困擾人們，警方可以在1個(gè)“指甲”內(nèi)追蹤案犯若干年前的行蹤。此外，氣象臺(tái)可以在“指甲”內(nèi)追蹤地球上的風(fēng)云變幻，天文學(xué)家可以在“指甲”內(nèi)追蹤日月星輝、宇宙大爆炸。未來(lái)的人類乃至外星人也能借助這種技術(shù)了解我們這幾代人的生活狀態(tài)和文明成果。

奇妙的材料之三

蝦絲——橫掃世界的塑料終結(jié)者

　  人類從20世紀(jì)60年代起開(kāi)始廣泛使用一次性尿布。換下來(lái)的一次性尿布難以分解，有一些可能要在垃圾堆里保存數(shù)百年之久，如果未來(lái)的考古學(xué)家剛好到那里進(jìn)行考古發(fā)掘，他們或許會(huì)覺(jué)得如獲至寶。對(duì)這些尿布的分析顯示，20世紀(jì)末到21世紀(jì)初的人類是人類史上最為揮霍浪費(fèi)的一代：連尿布都大量用上了不能降解的塑料，如同制造其他高檔商品一樣！

　  一次性尿布的內(nèi)層是吸收尿液的聚丙烯酸酯塑料，外層是防水的聚乙烯塑料，塑料黏結(jié)劑將尿布的各部分黏合起來(lái)。尿布還被聚乙烯塑料包裝起來(lái)出售。無(wú)論你喜歡也好，不喜歡也罷，這類石油來(lái)源的高分子聚合物是我們生活的這個(gè)時(shí)代的標(biāo)志性材料。未來(lái)的歷史學(xué)家可能將人類歷史分為石器時(shí)代、青銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代和塑料器時(shí)代。

　  在未來(lái)的很多年間，人類還會(huì)使用塑料，塑料還會(huì)在這個(gè)世界存在。它們有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，一時(shí)半會(huì)也爛不掉，地球上已很難找到哪個(gè)地方?jīng)]有它們的蹤跡。遙遠(yuǎn)的海洋漩渦中卷集了塑料垃圾；深海洋底沉積著大量塑料垃圾；就連喜馬拉雅山脈海拔8000米以上的“死亡地帶”也有塑料垃圾，多到不得不請(qǐng)求登山探險(xiǎn)隊(duì)員每人每次義務(wù)清理數(shù)千克的地步。

　  然而，我們現(xiàn)在還擺脫不了對(duì)塑料的依賴，還沒(méi)一種材料能像塑料那樣柔軟、便宜、有強(qiáng)度。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纖維素制成的。雖然植物纖維素是自然界最豐富的有機(jī)高分子化合物，但它們價(jià)格高昂，科學(xué)家花了近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間努力改進(jìn)技術(shù)以降低成本，也只能使植物源可降解塑料達(dá)到1%的市場(chǎng)占有率。

　  就在大家?guī)捉倚牡臅r(shí)候，甲殼素閃現(xiàn)了希望的光芒。美國(guó)哈佛大學(xué)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料難以讓人滿意，用甲殼素替代塑料的效果又怎樣呢？甲殼素廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲(chóng)等動(dòng)物的外殼中，是地球上含量第二豐富的天然有機(jī)高分子。心動(dòng)不如行動(dòng)，他們將甲殼素與蜘蛛絲蛋白結(jié)合，制成了不溶于水的纖維狀蛋白質(zhì)材料。我們姑且叫它蝦絲吧。

　  蝦絲不會(huì)燃燒，因而可以用作阻燃劑。此外，它還有很多吸引人的特點(diǎn)，一是它的堅(jiān)韌度勝過(guò)其原材料甲殼素，而且可通過(guò)調(diào)節(jié)含水量而調(diào)高或調(diào)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，一旦用它制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(jìn)一步降低蝦絲的應(yīng)用成本。蝦絲如能在可塑性上更進(jìn)一步，將令其他材料望塵莫及。于是，這對(duì)科研搭檔將目光轉(zhuǎn)向了殼聚糖——一種從甲殼素轉(zhuǎn)化來(lái)的成分。他們用殼聚糖改進(jìn)的蝦絲為原料，以生產(chǎn)塑料制品的常用方法成功地制造了一副國(guó)際象棋，驗(yàn)證了蝦絲的實(shí)用性。他們希望以此代替塑料，制造各種精致的日用品，如便宜的兒童玩具、各種瓶子、手機(jī)零部件等。

蝦絲很有彈性，其優(yōu)良的特性使其在很多方面能夠代替塑料，甚至可以用來(lái)生產(chǎn)薄薄的塑料袋。蝦絲一切都很理想，唯一缺點(diǎn)就是，用它生產(chǎn)的尿布會(huì)讓幾個(gè)世紀(jì)后的考古學(xué)家大失所望，不過(guò)，做任何事情都眾口難調(diào)，不是嗎？

奇妙的材料之四

自我修復(fù)的高分子材料——能再生的材料

　  想象一下：汽車能自我修復(fù)刮痕，不需再次噴漆，不用織補(bǔ)沙發(fā)座椅；大橋不會(huì)老舊，橋墩和橋梁能自我翻新；飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身能不斷自我更新，永不磨損和銹蝕，乘坐永遠(yuǎn)舒適、安全。

　  這些夢(mèng)想對(duì)于美國(guó)工程師斯科特·懷特來(lái)說(shuō)，不算是遙不可及的夢(mèng)想。他是最早研究具有自我修復(fù)能力的高分子材料的科學(xué)家之一。時(shí)間追溯到2001年，懷特研制了一種類似塑料的材料。它由很多微型膠囊構(gòu)成，一旦某處出現(xiàn)裂痕或空洞，里面的微型膠囊就會(huì)破裂，向破損處釋放具有修復(fù)作用的試劑，使裂痕得到修復(fù)，材料再次聚合。懷特將這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，做成涂層，用來(lái)保護(hù)各種設(shè)備，從橋梁到直升機(jī)旋翼，使其免遭惡劣環(huán)境的侵害。

　  真正商業(yè)化的自我修復(fù)高分子材料目前并不多見(jiàn)，不過(guò)，一些實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的新材料，已經(jīng)顯示出自我修復(fù)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(tài)膠水，與碳納米管等超強(qiáng)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(lái)生產(chǎn)特殊的指甲油。這種指甲油女士?jī)H需涂一次，以后就不用再涂，因?yàn)樗粫?huì)褪色，不怕磨損。

　  目前絕大多數(shù)自我修復(fù)高分子材料只能修復(fù)很小的裂紋或凹痕，寬度大概100微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。2014年初，懷特的研究團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)明了一種可修復(fù)3厘米寬裂痕的材料。這種材料內(nèi)布滿很細(xì)的管道，里面含有化學(xué)前體物質(zhì)：一種黏性物質(zhì)能迅速凝結(jié)而堵住裂縫，彈性高分子物質(zhì)則起到加固作用。目前這種材料實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)還有很多路要走。不過(guò)，只要科學(xué)家努把力，再加上些研究經(jīng)費(fèi)，10年內(nèi)有可能造出第一種實(shí)用的修復(fù)大尺寸裂紋的自我修復(fù)材料。

　  研究人員把更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)鎖定在能夠完全自我再生的材料上。懷特說(shuō)：“人的骨頭不斷在更新，7年全部更新一遍。想象一下，如果能造出一個(gè)可以自我更新的工程結(jié)構(gòu)件，將是何等神奇！”

　  懷特考慮，這需要一些智能的、可逆的化學(xué)反應(yīng)幫忙。在這些化學(xué)反應(yīng)中，一部分高分子聚合物的化學(xué)鍵斷裂，而另一部分則在重建，始終處于破壞—重建—加固的動(dòng)態(tài)過(guò)程中。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程，則需要智能材料的結(jié)構(gòu)中有適當(dāng)?shù)奶幱趤喎€(wěn)態(tài)的起始物質(zhì)。這樣才能制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(shuō)為時(shí)尚早?！斑€有很多科學(xué)上的硬骨頭要啃?！睉烟毓膭?lì)大家，“但我們要有遠(yuǎn)大的夢(mèng)想。”

奇妙的材料之五

氣凝膠——比空氣還輕

 早在20世紀(jì)30年代，一位名叫克斯提爾的美國(guó)化學(xué)家制造了當(dāng)時(shí)世界上最輕的材料。他的絕技是去除硅膠溶液中的液體，使之凝固成極細(xì)而密布納米空泡的骨架，做成含99%空氣的超輕材料。這種超輕硅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，在此后的六七十年里僅被當(dāng)作好玩的稀奇玩意兒。但近十多年，科學(xué)家開(kāi)始動(dòng)腦筋發(fā)掘它的實(shí)用價(jià)值。化學(xué)家用玻璃纖維加固以增強(qiáng)其力學(xué)性能，或灌注極薄的高分子聚合物以提高其彈性。美國(guó)國(guó)家航空航天局的科學(xué)家還合成了全高分子塑料的氣凝膠，其彈性如同橡膠，強(qiáng)度超過(guò)克斯提爾最初制造的氣凝膠500倍。

　  與此同時(shí)，還有大量的氣凝膠應(yīng)用方面的探索。氣凝膠孔內(nèi)的空氣使其成為隔音超級(jí)明星，可以用來(lái)制作隔音墻，厚度1厘米的氣凝膠就相當(dāng)于5厘米優(yōu)質(zhì)泡沫塑料的隔音效果。氣凝膠能使玻璃窗比傳統(tǒng)雙層硅酸鹽玻璃窗更保暖，質(zhì)量卻比后者輕得多。高端冬季運(yùn)動(dòng)服也紛紛使用氣凝膠。新款谷歌平板電腦也使用了特制的氣凝膠，使其質(zhì)量比傳統(tǒng)的減少一半。

　  另有一類新型氣凝膠具有革命性的應(yīng)用前景。它的原料不是硅膠或高分子，而是金屬。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家2005年偶然發(fā)現(xiàn)一種制備金屬氣凝膠的簡(jiǎn)便方法：點(diǎn)燃一些過(guò)渡金屬化合物，燃燒之后就能神奇地形成如海綿一樣的新東西。盡管金屬氣凝膠不適合作為隔音、隔熱設(shè)備，但它擁有極高的表面積——每克金屬氣凝膠的表面積可達(dá)3000平方米，而且金屬氣凝膠有導(dǎo)電性，還有很好的化學(xué)反應(yīng)活性。僅這幾項(xiàng)特性就有可能幫助我們降低能源消耗、改善環(huán)境。比如，鐵和鎳是很好的化學(xué)催化劑，但效率不高，把它們做成氣凝膠后可以替代效率很高但價(jià)格高昂的金屬鉑，在下一代工業(yè)生產(chǎn)中充分發(fā)揮催化作用，而不必消耗大量能源。

　  金屬氣凝膠的另一個(gè)用途是儲(chǔ)存氫氣。鈹是質(zhì)量最輕的四種元素之一，化學(xué)性質(zhì)類似鎂和鈣。用它做成的氣凝膠又牢又輕，可以用來(lái)儲(chǔ)存氫氣。雖然其儲(chǔ)氫能力低于合金，但它釋放氫氣時(shí)不像合金那樣需要高溫加熱，因而更加安全?？茖W(xué)家希望將這種氣凝膠用于氫能汽車。

像鐵和鎳一樣，我們常見(jiàn)的銅有諸多催化作用。2014年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用銅制備的氣凝膠有望用來(lái)吸附空氣中的二氧化碳，進(jìn)行人工光合作用，合成工業(yè)上所需的碳水化合物。此外，科學(xué)家還在研究其他具有超強(qiáng)化學(xué)吸附功能的金屬氣凝膠。如果這些金屬氣凝膠做成的“藍(lán)天拖把”真正發(fā)揮作用，大量吸附空氣中的二氧化碳和各種污染物，沒(méi)準(zhǔn)很快就能還我們一個(gè)清新的大氣層呢！

奇妙的材料之六

方鈷礦——吞噬余熱發(fā)電

　  熱力學(xué)定律證明，能量消耗的一半以上是以廢熱的形式浪費(fèi)了，不管是汽車耗油，還是洗衣機(jī)耗電，抑或是工廠里的油、電消耗。有些設(shè)備產(chǎn)生的廢熱比例更高，比如，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)浪費(fèi)的比例高達(dá)三分之二！如果新技術(shù)能利用其中哪怕一小部分來(lái)發(fā)電，那也是大規(guī)模提高能量利用率的進(jìn)步。

　  熱電材料正是能干這種活的材料，它能引導(dǎo)熱量流向自己并發(fā)電。在汽車排氣管周圍捆上熱電材料，所發(fā)的電可以支持車內(nèi)的電器設(shè)備運(yùn)行；把熱電材料配置在冰箱壓縮機(jī)處，用冰箱散發(fā)的熱發(fā)電可以支持冰箱的運(yùn)行；把熱電材料配置在太陽(yáng)能電池上，太陽(yáng)光所有譜段產(chǎn)生的熱都可以被吸收發(fā)電，而不像目前的太陽(yáng)能電池只能利用1~2個(gè)譜段。

　  這樣看來(lái)，熱電材料的應(yīng)用應(yīng)該豐收無(wú)虞。但上述理想的畫(huà)面到目前為止還沒(méi)成為現(xiàn)實(shí)。不過(guò)，理論上最有效的熱電材料已經(jīng)找到，就是碲化鉛。目前它還沒(méi)投入使用，是因?yàn)槿藗儗?duì)鉛的恐懼，以及鉛應(yīng)用于電器設(shè)備方面的立法限制。雖然鉛可以用毒性低的鉍來(lái)替代，但另一種原料碲的價(jià)格不便宜，而且還在上漲，還是抵消了這個(gè)方案的優(yōu)勢(shì)。

　  為了幾十年的研究成果不致付諸東流，科學(xué)家正設(shè)法尋找低成本的熱電材料。令人沮喪的是，絕大多數(shù)替代材料的熱電轉(zhuǎn)換效率平平，而且越是高溫，轉(zhuǎn)換效率越低，因此無(wú)法應(yīng)用于產(chǎn)生高溫廢熱的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)。

　  現(xiàn)在，熱電材料的研究領(lǐng)域出現(xiàn)了一顆新星——方鈷礦，它有望在多個(gè)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(jié)構(gòu)周圍自由穿梭，構(gòu)成一種特別擅長(zhǎng)捕集熱量的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使電子通過(guò)籠狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電流。而且，捕獲的熱量越多，產(chǎn)生的電流越大。

　  美國(guó)通用汽車公司的科學(xué)家梅訥斯正在美國(guó)能源部的資助下，努力提高方鈷礦熱電材料的發(fā)電效率，爭(zhēng)取2016年研制出利用廢熱發(fā)電的汽車原型，希望廢熱發(fā)的電能支持汽車的照明燈泡、收音機(jī)等電器設(shè)備工作。梅訥斯設(shè)想，熱電材料制成的發(fā)電機(jī)還可以利用廢熱給混合動(dòng)力汽車的電池充電。

　  中國(guó)為保護(hù)環(huán)境和自然資源，嚴(yán)控稀有金屬的開(kāi)采和出口，因此方鈷礦的原材料在國(guó)外難以采購(gòu)。2014年，日本大阪大學(xué)的科學(xué)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(shí)不得不加入另一種有毒的元素鉈，導(dǎo)致應(yīng)用無(wú)望。受該研究的啟發(fā)，梅訥斯嘗試在方鈷礦中摻一些鐵，以降低成本，并探索能否用更便宜的鈣來(lái)代替部分或全部稀有金屬。

　  近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，把方鈷礦材料的籠狀結(jié)構(gòu)扭一扭，可以耐更高溫度吸熱發(fā)電，可在550℃條件下工作，差不多可以吸收軋鋼廠的廢熱發(fā)電。與此同時(shí)，其他結(jié)構(gòu)奇特的化合物也有很好的熱電效應(yīng)，例如，有的能在較低溫度下發(fā)電。

說(shuō)了半天，其實(shí)熱電材料的研究進(jìn)展并不快，科學(xué)家還在探索、尋找更有效的奇妙材料。這個(gè)過(guò)程困難重重，如爬陡坡、登險(xiǎn)峰，每一點(diǎn)進(jìn)步都來(lái)之不易，卻離最終目標(biāo)更進(jìn)一步。

奇妙的材料之七

人工骨髓——白血病患者的希望

　  人體的器官都很重要，但有的一出問(wèn)題就將危及生命，如胃、腸、脾、胰等，所以它們被裝進(jìn)肚子里。有一些器官出現(xiàn)問(wèn)題將嚴(yán)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(hù)。更為重要的器官，如腦，一旦出現(xiàn)問(wèn)題將直接危及生命，所以被放在顱腔里，由嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的骨頭、圓弧形抗壓結(jié)構(gòu)加以保護(hù)。你能想象還有什么器官能尊享大腦的待遇，受到骨頭嚴(yán)格保護(hù)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(gè)月開(kāi)始從肝、脾接過(guò)造血的接力棒，到第5個(gè)月就基本成了造血中心。骨髓含有造血干細(xì)胞等多種干細(xì)胞。血液的所有細(xì)胞成分都來(lái)源于造血干細(xì)胞，它們每小時(shí)產(chǎn)生100億個(gè)運(yùn)輸氧氣的紅細(xì)胞，產(chǎn)生幾億個(gè)起免疫作用的粒細(xì)胞、單核細(xì)胞、巨核細(xì)胞、血小板等，以維持血液循環(huán)，監(jiān)視防范外源病毒、細(xì)菌和真菌對(duì)人體的侵害，清理自體衰老、癌變的細(xì)胞。

　  可以想見(jiàn)，如此重要的器官，一旦發(fā)生病變，問(wèn)題就很嚴(yán)重。白血病就是一類造血干細(xì)胞異常的惡性疾病。白血病發(fā)病率居我國(guó)腫瘤發(fā)病率的第六位，雖然兒童、青少年的急性白血病可用中國(guó)科學(xué)家發(fā)明的維甲酸和砷劑治愈，但大部分患者還是要依賴骨髓干細(xì)胞移植治療。而骨髓干細(xì)胞移植深為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所頭疼：尋找供體、配型、捐獻(xiàn)、控制排異反應(yīng)等，每個(gè)方面都很復(fù)雜，而且配型吻合者寥寥。

　  德國(guó)圖賓根大學(xué)的科學(xué)家考慮，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢？這一想法的關(guān)鍵是模仿造血干細(xì)胞生存的復(fù)雜微環(huán)境，涉及特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)。骨髓中造血區(qū)域的骨頭高度疏松，類似海綿，這種環(huán)境不僅調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞和骨髓細(xì)胞，而且能實(shí)現(xiàn)多種類型細(xì)胞之間信號(hào)物質(zhì)的高效交換。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬環(huán)境，又要模仿其他細(xì)胞（造血干細(xì)胞之外的）組成的軟環(huán)境。

　　 研究人員在乙二醇液體中加入很細(xì)的食鹽，讓乙二醇聚合成半軟半硬的狀態(tài)，再放入水中使食鹽溶解，留下食鹽顆粒原來(lái)所占的空間，模仿出多孔如海綿的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。為了讓這個(gè)人工松質(zhì)骨更容易吸附細(xì)胞，他們?cè)诰垡叶忌线B接特殊的氨基酸片段，模擬細(xì)胞與松質(zhì)骨間的界面。最后，將造血干細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞混合，一起種入人工松質(zhì)骨，組裝成人工骨髓。骨髓干細(xì)胞及其后代能分泌多種化學(xué)物質(zhì)，構(gòu)成造血干細(xì)胞需要的化學(xué)微環(huán)境。經(jīng)過(guò)10天培養(yǎng)，一切如愿，造血干細(xì)胞數(shù)量和比例大大提升，證明人工骨髓順利研制成功。

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(shù)基礎(chǔ)。

奇妙的材料之八

納米電源——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(shí)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(dāng)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(shí)，因摩擦而放出幾個(gè)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(xiàn)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(guò)現(xiàn)在不同了，普通人隨手放電很可能成為實(shí)現(xiàn)，而且電的來(lái)源就是摩擦。

　  有的材料受到外力作用時(shí)，能將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，這被稱作壓電效應(yīng)。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的華裔科學(xué)家王中林教授2006年發(fā)現(xiàn)，氧化鋅納米棒受力彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的電壓，于是他想到用納米棒做成納米電源。

　  當(dāng)時(shí)的納米電源電壓僅為0.006~0.009伏。幾番改進(jìn)后，電壓可達(dá)0.15~0.35伏，仍無(wú)大用。為了提高放電電壓、加大電流，研究人員來(lái)回?fù)軇?dòng)納米棒，結(jié)果得到了交流電，實(shí)現(xiàn)最高電壓37伏、最大電流12微安的不錯(cuò)成績(jī)，但還是不堪大用。

　  這時(shí)有人想到摩擦起電，將摩擦與納米電源聯(lián)系起來(lái)：將兩塊材料的摩擦面做成齊整密布、具有壓電效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。這樣兩塊材料來(lái)回摩擦，會(huì)產(chǎn)生群體壓電效應(yīng)，造成群體納米電源疊加。說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，橫向摩擦很容易損壞納米結(jié)構(gòu)、磨平接觸面。他們的解決方案是，不讓兩塊材料做水平摩擦，而做上下移動(dòng)。也就是將兩塊材料的納米結(jié)構(gòu)插入對(duì)方的縫隙，造成摩擦起電，就像兩只手的手指不斷交叉、分開(kāi)，來(lái)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(shí)現(xiàn)摩擦起電，從而創(chuàng)造了電壓達(dá)18伏的摩擦納米電源系統(tǒng)。

　  這樣的摩擦式納米電源已經(jīng)可以為體積很小的微-納電子器件供電，可使這樣的器件結(jié)構(gòu)變簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化，制造成本下降，使用壽命延長(zhǎng)，利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)與實(shí)際應(yīng)用。

　  日常生活中存在很多低頻率的來(lái)回運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)，這些低頻機(jī)械能能否轉(zhuǎn)化為電能呢？科學(xué)家開(kāi)發(fā)出以鋁-聚四氟乙烯塑料為電極的納米電源，在2~200赫之間都可發(fā)電。頻率為14.5赫的機(jī)械運(yùn)動(dòng)最高輸出電壓達(dá)287.4伏，大大高于日常用電電壓220伏的標(biāo)準(zhǔn)。北京大學(xué)的張海霞教授進(jìn)一步將電極做成特殊的“三明治”結(jié)構(gòu)，摩擦頻率在5赫時(shí)，電壓甚至可達(dá)320伏！

現(xiàn)在開(kāi)始將你的雙手十指相扣來(lái)回搓動(dòng)吧，看看每秒能搓動(dòng)幾次。戴上用柔性納米摩擦電極材料做成的手套后，能否實(shí)現(xiàn)220伏電壓的輸出，能否驅(qū)動(dòng)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——古老偏好的復(fù)活

　  世界人口越來(lái)越多，城市越變?cè)酱螅覀兊纳罘绞綄⒉坏貌辉絹?lái)越“高層化”。未來(lái)的摩天大樓很可能要用常規(guī)建筑材料：生產(chǎn)能耗很大的鋼筋和水泥。當(dāng)然了，也可能使用一些目前實(shí)驗(yàn)室里剛研制的新材料，也許是石墨烯——一種備受歡迎的碳材料，力學(xué)強(qiáng)度是等質(zhì)量鋼的100倍以上；也許是其他超強(qiáng)的納米材料。

　  但是，還有一種可能：摩天大樓是用木頭蓋起來(lái)的。

　  木頭是最古老的工程結(jié)構(gòu)材料，它容易獲取，用起來(lái)也沒(méi)什么浪費(fèi)，如果砍伐得當(dāng)，也是可再生、可持續(xù)的資源。隨著社會(huì)進(jìn)步，高層建筑興起，木材因其支撐強(qiáng)度有限，使用率逐漸下降。近年來(lái)，情況悄悄發(fā)生了變化。以木材為基礎(chǔ)的材料又開(kāi)始用于高層建筑上。

　  把針葉林木材一端做成鋸齒形結(jié)構(gòu)，互相插接，再用膠水加固，既輕巧又堅(jiān)固，這種材料在建筑領(lǐng)域掀起了應(yīng)用高潮。澳大利亞墨爾本維多利亞港有一座10層高的建筑叫福泰大廈，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(zhì)結(jié)構(gòu)建筑。不過(guò)，這個(gè)紀(jì)錄很快就要被打破。坐落在挪威卑爾根市的一棟高49米的14層居民樓，也是木材建的，預(yù)計(jì)2015年下半年就會(huì)完工。

　  美國(guó)一家著名的建筑公司研究認(rèn)為，用木頭為主要材料建造一幢125米高的摩天大樓，在技術(shù)上完全可行，木頭之外只要輔以高強(qiáng)度的水泥連接即可。經(jīng)測(cè)算，這種建筑的能耗和溫室氣體排放量（碳足跡）只是鋼筋混凝土建筑的25%~40%。

　  摩天大樓越來(lái)越垂青木材，說(shuō)怪也不怪，我們姑且稱這樣的大樓為“摩天木樓”吧。2014年3月，美國(guó)農(nóng)業(yè)部聯(lián)合一家木材加工設(shè)備公司宣布，將投資200萬(wàn)美元（約1200萬(wàn)人民幣）重獎(jiǎng)探索讓“摩天木樓”“長(zhǎng)命百歲”的方法，為未來(lái)建造“摩天木樓”奠定理論基礎(chǔ)。

　  重賞之下必有奇才。英國(guó)劍橋大學(xué)的植物生物化學(xué)家鮑爾·杜普利考慮，可以充分利用植物體內(nèi)的抗壓結(jié)構(gòu)。細(xì)胞外層的剛性細(xì)胞壁為植物提供了足夠的力學(xué)強(qiáng)度，但在分子層面上，這個(gè)力學(xué)強(qiáng)度來(lái)自何處，人們所知寥寥。我們雖然知道細(xì)胞壁里有纖維素、木質(zhì)素和各種多糖分子，可這些成分如何組裝起來(lái)才能獲得最高的力學(xué)強(qiáng)度？杜普利覺(jué)得要找到“摩天木樓”長(zhǎng)久于世的方法，切入點(diǎn)就在這里。

　  杜普利和建筑師以及高分子專家組成的團(tuán)隊(duì)已獲得了一筆資助，開(kāi)展細(xì)胞壁分子結(jié)構(gòu)的研究。他們用不同樹(shù)種的木材制成樣品，放入磁共振儀內(nèi)，測(cè)定樣品內(nèi)的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)。他們的短期目標(biāo)是找到幾種高分子物質(zhì)，希望它們注入木材后能起到加固作用；長(zhǎng)期目標(biāo)是希望破譯細(xì)胞壁分子結(jié)構(gòu)的信息，從而進(jìn)一步從遺傳角度設(shè)計(jì)出強(qiáng)度更高、可用作建造“摩天木樓”的樹(shù)木新品種。

　  除了建筑，木材在其他領(lǐng)域也大有用武之地。木材及其衍生品可用于生產(chǎn)生物燃料，也有人設(shè)想將其做成柔軟又便宜的紙制品，替代硅制造電子產(chǎn)品——或許未來(lái)的電腦將擁有紙做的芯片。

看來(lái)，所謂傳統(tǒng)與未來(lái)或許只有一步之遙。只要有21世紀(jì)的知識(shí)與眼光就不難推測(cè)，傳統(tǒng)材料經(jīng)過(guò)一番改造就能變身為未來(lái)的材料。

奇妙的材料之十

新型甲骨——再續(xù)文明數(shù)千年

　  前文講到，指甲蓋大小的記憶玻璃就能夠存儲(chǔ)一座圖書(shū)館的信息，饋贈(zèng)給幾億、幾十億年之后的人類。這可能使未來(lái)的社會(huì)失去一個(gè)職業(yè)——考古學(xué)家，但會(huì)催生另一個(gè)職業(yè)——“古電腦學(xué)家”。因?yàn)檫@些指甲蓋大小的圖書(shū)館所藏的內(nèi)容，必須借助我們現(xiàn)在使用的電腦才能閱讀、觀看。經(jīng)過(guò)如此漫長(zhǎng)的滄海桑田、宇宙變幻，很難說(shuō)未來(lái)的人類還會(huì)保留現(xiàn)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文件，更早早把那時(shí)的電腦扔到不知哪個(gè)垃圾場(chǎng)、哪個(gè)廢品收購(gòu)站，又不知回收用來(lái)做了什么，更何況上億年之后的人呢？我們以今人之心，度億年后人之腹，估計(jì)那時(shí)只有“古電腦學(xué)家”才能讀懂“指甲蓋”文獻(xiàn)，以及大量保存的網(wǎng)絡(luò)信息，普通百姓恐怕難有問(wèn)津。

　  不過(guò)，有一種可能性似乎更大一些。那就是把信息寫(xiě)在石頭上，恐怕將來(lái)還有普通人收藏、玩一玩、看一看。至少我們現(xiàn)在還有興趣看一看5000年以前甚至史前人類刻在石頭上的巖畫(huà)——雖然粗獷、古樸，卻是先民們給后人展示的當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)方式和生活場(chǎng)景。巖畫(huà)遍及世界五大洲150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，包括中國(guó)。巖畫(huà)中的各種圖像構(gòu)成了文字發(fā)明以前原始人類最早的“文獻(xiàn)”。

　  文字發(fā)明以后，人類將信息記錄在動(dòng)物的骨頭上，形成甲骨文。我們現(xiàn)在還能夠讀到距今3400—3100年前的甲骨文文獻(xiàn)?，F(xiàn)在使用的漢字由甲骨文演變而來(lái)，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(jié)構(gòu)等練習(xí)書(shū)法。

　  甲骨文是鐫刻或?qū)懺邶敿缀瞳F骨上的文字。有趣的是，龜甲和獸骨的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)與人體骨骼相同，都是羥基磷灰石。人類的活動(dòng)常與事故和疾病相伴。為修復(fù)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(lái)全世界有大量科學(xué)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。由于天然骨的羥基磷灰石有特殊的納米結(jié)構(gòu)，科學(xué)家需要合成納米級(jí)羥基磷灰石。在此基礎(chǔ)上，才能仿生制備有活性的人工骨，幫助骨骼迅速恢復(fù)健康。

　  中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的科學(xué)家朱英杰教授，在用水熱法探索廉價(jià)、快速、大量合成羥基磷灰石的研究中，偶然發(fā)現(xiàn)得到的納米羥基磷灰石又細(xì)又長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)朱英杰教授就產(chǎn)生一個(gè)大膽的設(shè)想，可否合成大量又長(zhǎng)又細(xì)（保持納米級(jí)直徑）的納米線，像紙漿纖維那樣做成大片紙張呢？這樣醫(yī)生可以剪取任意大小、任意形狀的紙片，任意疊加厚度，方便輕松地修補(bǔ)奇形怪狀的骨缺損，也許可以就此解決羥基磷灰石臨床應(yīng)用的最后一道難題。

　  于是朱英杰教授調(diào)整配方，輔以超聲波控制合成過(guò)程，終于合成長(zhǎng)納米線，制造出羥基磷灰石紙。這種紙又白又軟，可折疊，不含任何有機(jī)成分，只是石頭本質(zhì)（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(shū)寫(xiě)的文字也不會(huì)消失——這不是人類書(shū)寫(xiě)的最好載體嗎！

　  人類自從有書(shū)籍以來(lái)，記錄在書(shū)籍里的文明有多少次葬身于火海！遠(yuǎn)的如秦始皇焚書(shū)坑儒（竹簡(jiǎn)寫(xiě)成的書(shū)），近的如1932年日本帝國(guó)主義進(jìn)犯上海，焚毀了商務(wù)印書(shū)館當(dāng)時(shí)號(hào)稱東亞第一的圖書(shū)館，全部46萬(wàn)冊(cè)藏書(shū)，以及價(jià)值連城的善本孤本圖書(shū)從此絕跡人寰。用紙做成書(shū)來(lái)承載文明，實(shí)在太脆弱了。朱英杰教授希望自己不經(jīng)意間發(fā)明的新書(shū)寫(xiě)載體，從此保全人類文明免于火災(zāi)，至少可用于需要永久保存的檔案。

　  不過(guò)，這種羥基磷灰石紙與人體細(xì)胞的“關(guān)系”不太好，細(xì)胞不太愿意待在紙上繁衍生息，為主人連接骨頭修復(fù)損傷。這讓朱教授頗感沮喪。不過(guò)，他的成果已經(jīng)令全世界為之轟動(dòng)，在發(fā)明了與甲骨成分和結(jié)構(gòu)相同的新型書(shū)寫(xiě)載體的成就面前，小小沮喪又何妨？

　  要給后世，比如3000年后的人類，留下今人輝煌的文明，恐怕還是把信息書(shū)寫(xiě)于現(xiàn)代甲骨——柔軟、耐火、永遠(yuǎn)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”即可瀏覽、閱讀、思考。

（本文作者翟萬(wàn)銀，博士，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所生物材料與組織工程研究中心副研究員，《無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)》編輯部副主任。）

來(lái)源 ：《科學(xué)畫(huà)報(bào)》