【中玻網(wǎng)】多種新材料即將改變世界

　　記憶玻璃、蝦絲、自我修正的高分子材料、氣凝膠、方鈷礦、人工骨髓、納米電源、木材、新型甲骨，你知道這些新材料嗎?他們可能在未來(lái)的若干年改變我們的生活。

　　比如，人工骨髓可以為白血病的治療提供新希望;指甲蓋大小的記憶玻璃能存一座圖書(shū)館信息;替代塑料又環(huán)保的蝦絲……

　　下面，我們來(lái)看看其中的幾種“奇材”。

　　記憶玻璃可逃避核爆開(kāi)的摧毀

　　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。

　　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，而是激光束難以準(zhǔn)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。日本一家公司一聽(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)存密度比日本這家公司的高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)核爆開(kāi)的損毀，可以安然保存100億年，“這個(gè)壽命差不多與目前市場(chǎng)同在，與日月同輝……”卡贊斯基驕傲地說(shuō)。

　　記憶玻璃技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用后，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，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。

　　自我修正的高分子材料汽車能自我修正刮痕

　　想象一下：汽車能自我修正刮痕，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。

　　2001年，美國(guó)工程師斯科特·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正作用的試劑，使裂痕得到修正，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。

　　目前絕大多數(shù)自我修正高分子材料只能修正很小的裂紋或凹痕，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)明了一種可修正3厘米寬裂痕的材料。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)有可能造出靠前種實(shí)用的修正大尺寸裂紋的自我修正材料。

　　人工骨髓 白血病患者可用于移植骨髓

　　骨髓既是重要的造血器官，又是重要的免疫器官。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。

　　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)的效率高交換。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。較后，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，組裝成年人工骨髓。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)。

　　納米電源 摩擦起電能達(dá)18伏

　　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。

　　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。

　　幾經(jīng)實(shí)驗(yàn)，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，手指就是納米電較，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。

　　木材 互相插接能建125米高樓

　　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，就是用木材建成的小樓樓，也是世界上較高的木質(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)一家有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度度的水泥連接即可。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%。

　　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)。

　　杜普利和建筑師以及高分子相關(guān)人士組成的團(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。

　　新型甲骨 再續(xù)文明數(shù)千年

　　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。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。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)。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)用的較后一道難題。

　　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，不含任何農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系成分，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)的較好載體嗎!

　　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)，至少可用于需要較久保存的檔案。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。然而，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?