神奇的智能材料

在人们眼里，被大量利用的各种材料(钢筋、混凝土、塑料、纤维等)可能是最“笨”的东西。它们只能被人所感知，自己无从感知外界情况：在出现“危机问题”时，它们不能告诉人们，也没法修理自己，只能“坐以待毙”。但是随着都市化进程的加快，道路、桥梁、建筑物的安全成了人们越来越关注的问题。人们不由地想：如果桥梁、建筑物，甚至在空中飞行的飞机，在其材料断裂发生事故之前若能发出预警，甚至能自行修补缺陷，那将会给人以极大的安全感。这一设想能否实现呢?为了达到这个目的，科学家们提出了智能材料的构想，尽管现在仍处于萌芽阶段，但人们已经看到了它的巨大潜力。

　　何谓智能材料?现在还没有严格的定义，但一般说来，它指的是能感知环境条件并做出相应“行动”的材料。智能材料的行为与生命体的智能反应有点类似。举一个简单的例子，太阳镜片中就含有某种材料，这种智能材料能感知周围的光，并能对光的强弱做出判断：当周围的光很强时，它就自行变暗；当光较弱时，它又变得透明起来。

　　现在，科学家们正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。这方面，美国伊得诺大学的研究已初见成效，该大学建筑研究中心的卡罗琳·德赖开发出了两种“自愈合”纤维，这两种纤维能分别感知混凝土中的裂缝和钢筋的腐蚀，粘合裂缝的纤维是用玻璃丝和聚丙稀制成的多孔中空纤维，将其渗入混凝土中，在混凝土过度挠曲时，它被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。德赖开发的另一种纤维能感知造成钢筋腐蚀的酸度。若把这种纤维包在钢筋周围，当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层溶解，从纤维中释放出阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。

　　此外，在其他各领域也兴起了研制智能材料的热潮。在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料。当飞机在飞行中遇到湍流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除湍流或逆风的影响，使飞机仍能平稳飞行。这方面的研究还未获得实质性的进展，现在只是有人设想将光纤埋入机翼中，正常情况下，光能通过光纤从机翼的一侧传到另一侧，当机翼出现应力或裂痕时，经光纤传播的光线的位置会偏离，甚至光还可能被遮断。根据传播光线的变化，计算机可以算出机翼中的应力或劈裂状况，从而向驾驶员进行险情预报。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此报警。

　　今天，塑料产品几乎遍及我们日常生活的各个方面。它们在卫生、医疗、服装、交通、家居、通信、能源和包装等领域扮演着重要角色。而澳大利亚智能聚合物研究所目前正在研究开发一种新型塑料。这种塑料可以导电，可以反映周围环境变化的情况，并发生相应的改变。基于这些智能材料的特殊性能，这方面的研究被引入到一系列具有创新性的应用领域之中，其中包括化学和生物化学检测、人工肌肉、手性药物的分离、受控药物释放系统等。

　　目前对小型现场检测和在线检测传感器的需求量在不断的增长，其应用领域包括食品生产、环境监测、化工加工、金属制造和医学诊断。然而现有的现场检测设备在灵敏度、选择性、费用和实地可操作性方面都很不完善。导电塑料的发现和它们后来用于化学合成物质的检测使得传感技术的发展成为可能。澳大利亚智能聚合物研究所设计了一系列聚合物传感器，使得传感器上每一单元都唯一对应于一定范围的化合物，然后使用简单的软件模式识别程序来分析所获得的数据组。这种“电子鼻”既可以判定也可以迅速对低浓度香味、臭味和其他挥发性化学物质进行定量分析，主要用于探测、分析低浓度环境毒素。

　　在医疗方面，智能材料还被应用于药物自动释放系统上。日本东京女子医学院已经推出一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，该聚合物会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助这一特性，这一聚合物可制成人造胰细胞。将这种聚合物包封的胰岛素小球注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作，血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人的血糖浓度就会始终保持正常的水平。

　　由于导电有机聚合物在微电流刺激下可以收缩或扩张，因而具备将电能转变为机械能的潜力。该类聚合物的导电性使得电刺激可以在整个结构上传导，这样，在不破坏聚合物结构的情况下有可能产生较大幅度的形变。这类导电聚合物组成的装置在较小电流刺激下同样表现出明显的弯曲或伸张／收缩能力。因此，它们有着广泛的潜在用途，在诸如机器人(如轻型齿轮、杠杆、风挡雨刷等)、假肢装置和微型泵等方面可以一展身手。目前澳大利亚智能聚合物研究所主要在两个项目上取得了一些进展。其一，通过将导电聚合物涂覆在预先定性的微纤维上，澳大利亚智能聚合物研究所成功开发了更有序的聚合物装置。该装置可以产生比天然肌肉多15倍的力，计算显示，这种导电聚合物纤维最终将可以产生1000倍于天然肌肉应力。第二项进展为第一台基于碳纳米管的聚合物致动器。这种致动器包括高度有序的纳米管，当电荷加到纳米管上或从纳米管上卸去时，这些纳米管能做出快速的尺寸改变。

　　英国科学家还在研制一种能让残疾儿童借助它“说话”的智能化衣料。残疾儿童穿上由这种独特的电子纺织材料制成的马甲，连接一个语音合成器，就可以简单地通过轻拍这种触敏性材料使别人明白他的意思。把这种材料与适当的电子仪器连接起来，将带来新型外衣的问世。把电话主板集成在袜子里以提醒穿着者新鞋子是否会磨脚，或者将其放入袖子里，乃至足球衣中，让裁判知道何时被人拉扯过。可以用该材料制成地毯，以检测走过它的“入侵者”；或者制成汽车坐垫，能感受乘客体重的分布，调整合适的承受力，也可制成装有电视遥控的扶手椅。

　　目前，该研究组织正在把大部分精力投入医疗保健应用领域，用这种布料制成的马甲帮助残疾儿童(如孤僻或脑瘫痪者)与他人交流。这些儿童只需简单地轻拍外衣上不同的部位就可以传达不同的信息。信息通过红外信号传给声音合成器或电视屏幕。

　　这种材料是用普通的布料和一种独创的导电网状饱和碳纤维制成。当布料受压时，通过导电纤维的低电压信号发生变化，一个简单的电脑芯片就可以精确地指出面料的哪个部位被触摸。它还可以触发任何与其相连的、体积不超过两个火柴盒大小的电子设备。这种材料可以洗涤，裹在别的东西外面或者揉搓都不会损坏，它可以低成本地大批量生产，已有多家跨国公司希望能在以后的产品中使用这种布料。该材料也引起了艺术家的兴趣，期望能利用它非凡的特性带来艺术上的创新。

　　虽然关于智能材料方面的研究有待于进一步深入，但我们有理由相信，它的发展前景将是无限广阔的。

　　

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