讓材料為你所用——細數“聽話”的材料

你有想過讓你周遭的材料“聽你的話”么？電影里出現過的場景又有哪些符合這個特點？

大白聽到“嗷……”，于是蹦出來實行醫療護理。

緊箍兒聽到緊箍咒就收緊惹的孫悟空痛不欲生。

《X戰警2》中萬磁王能控制鐵，作為他成功出獄的武器。

好吧，這其實只是他的特異功能而已……

嗯，瞎說了……不然怎么引出主題呢，哈哈。讓材料“聽話”，其實說的是一個智能的問題，關于智能材料，是指能感知環境變化，并能實時改變自身的一種或多種性能參數，以響應外界變化從而與環境相適應的材料。它是繼天然材料、人造材料、精細材料之后的第四代功能材料。

智能材料是真的“聽人話”嗎？倒也不然，它其實自己本身是沒有這個特點的，但是在研究者的改裝下，可以讓它按照人們的意愿，讓它自身對環境改變的反應適應人們的需求。

智能材料的特點在于其具備感知、驅動和控制能力。
（1）?感知：能檢測并可以識別外界（或者內部）的刺激，如電、光、熱、應力、應變、化學、核輻射等。
（2）?驅動：能響應外界變化。
（3）?控制：能按照設定的方式選擇和控制響應。

較傳統的材料而言，智能材料多的是一份“活”力，即能感知變化并進行調控，如人類，在遇到危險時，可作出反應，以降低危害。

實現這種能力的方式有兩種：
（1）在基體材料中，嵌入具傳感、動作和處理功能的三種原始材料，即傳感器+控制處理器。
（2）利用某些材料的微觀結構在響應外界刺激下，發生改變而表現出不同性能的能力。

第一種方法最明顯的例子就是機器人了，在機器人設計中加入傳感器，讓其感知外界特定因素的改變，再設定程序，使其能作出相應的調整與控制。

大白感知并治療手臂擦傷

第二種方法就需要我們有一雙善于發現的眼睛，找到具備這種能力的特殊材料。

當然，第二種方式在材料領域里，研究更為廣泛。既然有這么多，就先挑幾個來說說吧。

形狀記憶合金，我們早已不陌生，大到航空航天，小到我們的眼鏡框架，很多領域都可以看到它的身影。較一般的合金，形狀記憶合金，從他的應力—應變曲線就可以看出，在加載，卸載這個過程中，產生的殘留應變更小，甚至可為零，為零的話就表現為——超彈性。最早發現有這種能力的合金是鎳鈦合金，而其他不同元素的摻雜及摻雜量、以及工作溫度都會對材料的性能帶來不同的影響。

Ti-50.6Ni合金在不同溫度下的應力—應變曲線

智能陶瓷，是利用陶瓷在不同外界環境下，使不同的能量，如機械能和電能之間相互轉變能力，原因也是因微觀晶體結構發生改變。與普通的陶瓷相比，其用途擴大更多，結構陶瓷應用較多的是高溫陶瓷， 但智能陶瓷的應用領域可以擴大到信號轉化器和生物領域。

電流變體的出現不是太早，它是μm級的可極化粒子分散在介電常數不同的某種液體中形成的懸浮液，在電場的作用下，粒子易發生極化，沿電場方向排列，改變液體的粘度。磁流變體與電流變體類似，只是外加誘因變成磁場。

磁流變體在外加磁場下結構發生改變

在智能高分子材料方面，研究的前景更是相當巨大的。普通高分子如聚乙烯塑料，其微觀結構一般是連接較為緊密的聚合物，結構穩定，對外界環境的感知能力弱，因此一般不具備智能的特點。

形狀記憶合金一般的刺激主要是溫度，因為在不同溫度下，馬氏體—奧氏體的轉變產生外觀形狀的變化。而對高分子就不同了，記憶功能高分子材料的記憶因素就有更多的選擇，應力、形狀、體積、顏色等都可以作為它的記憶范圍，這就像擴大了腦容量一般……

能作出刺激響應的聚合物材料的納米“行星”結構，外界環境改變，微觀結構也發生改變

智能高分子凝膠能在外界pH、溫度、光、電場、離子強度、溶劑組成等變化的刺激下，發生膨脹和收縮，從而構成其感知、處理、響應的智能特點。

對pH敏感的水凝膠，pH改變，體積相改變

還有一些高分子智能材料則可以應用在自修復領域上，建筑里加入這種材料，當建筑發生破損，光刺激下，結構改變，分子間交聯，體積改變，從而可以填充在空隙中。

當然，更多智能材料依然待我們去發現，探尋不同材料的微觀結構在外界因素的作用下發生的改變，善加利用，加以整改，必然給我們的生活帶來不一樣的風景。或許有一天，應用在生物體上，你也能獲得像金剛狼一樣可自行修復的皮膚。

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本文由材料人電影團隊大黑天供稿，材料牛編輯整理。