“超材料”即將改變世界？

通過改變材料的結構，我們可以操縱材料的外觀和其他性質，接下來，科學家希望改變材料的力學特性。目前，我們已經看到了許多關于這些材料的構思、設計和初步應用，包括彈性陶瓷、無感斗篷和可編程橡膠海綿等。這些新材料的出現，將有助于建造宇宙飛船防護瓦，甚至開發出對地形敏感的鞋子。

“我認為超材料的概念已經漸漸深入許多不同領域，”德國卡爾斯魯厄理工學院的馬丁·魏格納（Martin Wegener）教授說，“一開始是在電磁學領域引起熱潮，后來進入了一些完全不同的領域，如熱力學，以及再后來的機械力學中。”

魏格納教授介紹稱，“超材料”（metamaterial）一詞已經被用于指代幾乎所有古怪和神奇的設計，它們通常都具有非同尋常的性質，是原始材料所不具備的。

感覺不到的

魏格納教授研究斗篷，但并不是為了使物體隱形。他的目的是將物理作用力隱藏起來。去年，他的實驗室研制了一種蜂窩狀的材料，可以使物體無法被人感覺到。這種特別的超材料是一種在某些性質上類似液體的固體晶格，能夠使外部施加的壓力發生偏轉。

在演示中，這種超材料可以將一個很小的圓柱體（直徑小于1毫米）隱匿起來，無法被手指感覺到。來自法國的物理學家和工程師提到了魏格納等人的工作，他們指出，通過按某種模式進行謹慎、小心的鉆孔，可以轉移破壞性較大的地震波動。換句話說，這是將地面本身變成某種超材料，或許可以使發電廠免遭地震的威脅。

在美國物理學會的三月會議上，魏格納教授展示了最新的工作成果，包括一種可以使平板中心的小洞無法被感覺到的超材料。他說：“這里的設計原則是，你可以將其應用在任何需要的東西上。”

設置鞋底

同樣是在美國物理學會的三月會議上，荷蘭萊頓大學的博士研究生巴斯蒂安·弗洛林（Bastiaan Florijn）展示了他的研究成果，他稱這是世界上第一種機械力學上“可編程”的材料。

從外觀上看，這種材料像是一塊多孔的橡膠板，似乎沒有太多的科技含量。但是，這些孔洞——有兩種規格——其實是經過特殊設計的，可以在縱向和橫向上進行壓縮，這種方向的轉換通過增加一個小型夾子而實現。

于是，我們最終得到的是一種超大號海綿，在擠壓的過程中，它的質地可以很僵硬，也可以很柔軟，或者介于二者之間。如果它在轉換到柔軟形態的過程中，同時仍然受到壓力作用，就表現出所謂“負剛度”的性質，弗洛林稱，這種性質十分奇特，目前他還沒有想到如何加以應用。

不過，這種橡膠板的另一個特征可能具有十分巨大的用處：它能吸收能量。“想象一下，你可以編程出一種汽車保險杠，假如你駛入一個有很多小孩子的地方，你就會想擁有一個非常柔軟的保險杠，”弗洛林說，“但如果是在高速公路上飛速行駛，你就會想它能足夠堅固。”目前，弗洛林與同事們還與制鞋企業取得聯系，希望能生產出根據不同地形調整的鞋子。

拯救發動機

哈佛大學的卡蒂亞·貝爾托迪（Katia Bertoldi）教授也在研究一種類似的奇特彈性材料，據稱其具有負的“泊松比”（Poisson ratio）。這意味著在進行壓縮的時候，這種材料會從各個方向進行收縮，而不是向另外兩個側面擠出去，變得又寬又平；而在拉伸的時候，它也會向各個方向延伸。貝爾托迪教授的團隊已經開發出這種材料的多種有用特性，包括在受擠壓的時候能吸收不同頻率的聲音。

泊松比還會影響金屬的疲勞。貝爾托迪教授已經與勞斯萊斯公司合作，設計出具有復雜狹縫結構的發動機零件，可以經受住更多次的壓縮周期。類似的原理還可以進一步應用到日常生活中，貝爾托迪教授稱，為了獲得獨特的性質，我們可以研發出復合結構的建筑用磚，或者使用普通的磚，但以某種特別的方式進行組合。

反彈陶瓷管

加州理工學院的一個團隊開發出了非常奇異的陶瓷材料，他們制作了非常小的陶瓷制品，在被壓縮到50%之后還能反彈復原。研究團隊采用的技術可以每次構造一個材料原子層，從而制造出一個空心陶瓷管網絡。這些陶瓷管的壁只有幾納米厚（1納米為1毫米的百萬分之一），整個產品的厚度甚至比一張紙還薄。

他們采用的原材料是氧化鋁，強度比鋼還高，但與大多數陶瓷材料一樣，非常的脆。不過，在陶瓷管壁厚度合適的條件下，這些微小的樣品能從重擊中恢復過來。盡管還遠沒有到實際應用的階段，但有了足夠的投資，相信這種陶瓷材料能夠在一些領域中發揮重要作用。舉例來說，宇宙飛船或飛機發動機或許可以使用陶瓷防護瓦來隔熱，而不是使用金屬罩。

（作者：任天）

發表于 2015-03-12 00:00
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