新炼金术 - 彭博社

这并不完全是《终结者2》，其“模仿聚合物”反派在追踪无辜受害者时会融化并重新组合。但在伊利诺伊州埃文斯顿的一间实验室里，这种好莱坞幻想的一个版本——虽然更为谦逊，但却是真实的——正在被实现。使用新型建模软件，结合了材料研究这一快速发展的领域的丰富知识，西北大学教授格雷戈里·B·奥尔森正在逐个原子地设计全新的物质。奥尔森和一组学生正在全力追踪定制陶瓷超导体和超高强度塑料，但合金是他们的首要任务。他们已经取得了一项成功，一种由五种金属的原子混合而成的合金，其精确度如此之高，以至于通过反复试验找到它可能需要“几亿次”尝试。最终得到的超强钢正在被测试用于航天飞机发动机涡轮泵的轴承，这些轴承现在必须在每次飞行后重建。

材料一直影响着生命的基本结构。石器时代、青铜时代和铁器时代标志着人类将材料制成新工具的关键时期，这大大改善了他们的生活。因此，材料科学的最新——也是最广泛的——革命也是如此。利用超精确的新技术，研究人员正在探测比病毒的亚微观领域更微小的世界。就像窥探一个特别喧闹派对的偷窥者，他们正在窥视原子的世界，并揭示它们如何相互作用的秘密。然后，利用主要为应对微电子学快速缩小的尺寸而开发的技术，现代炼金术士正在重新排列分子——甚至原子——从零开始组装新物质。

通常，这种魔法的最商业化结果，如奥尔森的钢铁，都是现有材料的衍生物。但研究人员也在探索未知。他们正在制造“气凝胶”，这种轻盈的硅制混合物远远超越了最佳绝缘材料；陶瓷柔韧到可以用于汽车或喷气发动机；以及嵌入了人工“神经”和“肌肉”的复合材料，使它们能够几乎像生物一样对压力做出反应。考虑到这些物质，科学家们梦想着既大又轻、燃油高效的汽车，以及轻到足以飞到太空边缘并在几个小时内跨越太平洋的客机。在3000亿美元的电子产业中，新材料正在将芯片和计算机的速度推向物理极限。这些进展，最终将导致手持超级计算机等产品的问世，哈里·F·洛克伍德（Harry F. Lockwood），GTE实验室公司先进组件技术中心的主任表示，这将“改变我们的生活方式”。

这种奇特材料的前景应该会促进一些人所说的最近被忽视的科学。自1980年以来，联邦非国防材料研发的支持在实际美元中下降了17%。专家们补充说，行业支持也急剧下降，而德国和日本等国则在该领域投入资金。1989年，国家研究委员会的一份报告发现，美国在金属和陶瓷方面的竞争地位相较于日本正在下降，而德国和英国已经赶上。材料研究学会（Materials Research Society）表示，为了保持竞争力，美国政府和行业需要在目前每年花费30亿美元的材料研发基础上再增加12.5亿美元。

面对在1480亿美元的全球市场中失去市场份额的威胁，通常采取放任态度的布什政府似乎异常关注。今年四月，国家关键材料委员会的代理执行主任大卫·L·霍伯宣布了一项政府材料研究倡议。与霍伯的团队相关联的白宫科学与技术政策办公室希望为材料研究增加“数亿新资金和重新编制的资金”，可能会在1993年的联邦预算中体现。霍伯还希望明确研发优先事项：“我们并不清楚我们是否充分利用了现有资金，”他说。

他试图重新点燃一场可以追溯到1960年代的运动，当时研究人员开始大规模生产自然界所忽视的分子。结果是合成材料的爆炸性增长，彻底改变了包装、建筑和纺织等行业。如今，运动员使用碳纤维增强的高尔夫球杆、能够将汗水从身体上吸走的聚丙烯运动服，以及“透气”的防水夹克。科学家们对聚合物的化学结构——一系列重复分子的链条——如何决定其功能了解得如此透彻，以至于研究人员可以坐在电脑前，组合出具有所需特性的材料。这意味着“成品的开发周期不再是10年”，而是“我们将在3到5年内看到成果，”克利夫兰B.F.古德里奇公司的Geon部门市场副总裁唐纳德·P·克内赫特斯说。

最显著的进展发生在电子领域。为了满足对存储和处理数据性能提升的日益需求，研究人员比以往更加努力地研究缩小硅电路的技术和设备。最新的工具之一是扫描隧道显微镜，这是一种能够揭示表面上单个原子位置的极其精确信息的机器。将STM与计算机建模的进展结合起来，“我们可以模拟分子如何在基底上排列，而无需进行耗时的试探性实验，”位于芝加哥附近的阿贡国家实验室物理科学副主任弗兰克·弗拉丁说。现在，科学家们正在利用这些相同的工具和见解来制造材料，以改善从飞机到桥梁再到人工身体部件的各个方面。

工程材料 这些炼金术士追求的目标比古老的梅林们少了一份贪婪，他们试图将铅变成黄金。在其最实际的形式中，新的炼金术旨在设计更好的结构材料版本——那些渗透日常生活的金属、复合材料和陶瓷。这个听起来谦逊的努力，尽管如此，仍然可能产生巨大的财富。在十年内，仅日本工业就预计将使用价值900亿美元的此类产品。

陶瓷将是最热销的材料之一。这些非金属材料超强，能够承受极端高温，承诺提供更高温、更高效的发动机，这对于喷气式飞机和低污染汽车是必需的。但陶瓷是脆性的，这限制了它们的使用。现在，通过添加少量的聚合物或纤维“须”，研究人员正在开发出更具延展性的品种。“如果你能消除它们的缺陷，就可以将陶瓷应用于广泛的领域，”阿贡国家实验室的理查德·W·西格尔说。这可能包括从更轻、更耐用的发动机部件到柔性超导线和更坚固的切削工具。

金属合金也在进行改造。例如，一个为期15年、价值60亿美元的计划，由美国国防机构、NASA和七家喷气发动机制造商共同资助，旨在到2003年将飞机发动机的推力翻倍，而不增加其体积或重量。“如今的钛合金和镍合金没有必要的强度或温度能力，而且它们太重，”位于俄亥俄州代顿的怀特·帕特森空军基地项目经理詹姆斯·S·佩蒂说。但通过使用新合金，佩蒂的团队正在接近其第一步目标，即发动机推力与重量比提高30%，以及燃油效率提高20%。这些改进将体现在由普拉特·惠特尼公司制造的新隐形战斗机的发动机中。

一个障碍是找到能够承受高达800华氏度的关键发动机部件材料，这个温度是进入发动机的氧气与燃料结合的临界点，从而提高效率。传统的喷气发动机金属钛在这个温度下会燃烧，佩蒂说。因此，他的研究人员正在寻找所谓的金属间化合物——通过在同一晶体结构中交织不同原子而超越化学结合的混合物。由钛和铝或镍和铝制成的金属间化合物超轻，并且可以承受高达1400华氏度的温度。佩蒂补充说，向这些材料中添加陶瓷纤维会形成重量上是当前喷气发动机所用合金的三倍强度的复合材料。

原子级材料 改进的结构材料可能是新研究中最实用的产品。但最激进的新炼金术士们并不满足于仅仅变化，他们正在与创造调情——开发全新的材料类别。这些材料将促进电子学和其他领域的重大进展。例如，阿贡的西格尔正在将称为晶粒的原子簇形成超密陶瓷或金属。在这些“纳米相材料”中，每个晶体的直径小于100纳米，或十亿分之一米。这比大多数病毒还要小。

大多数金属或陶瓷的单个晶粒由数百万或数十亿个原子组成。但构成纳米相材料的晶粒仅包含几千个原子。在这些晶粒在压力下被压缩成固体材料后，它们表现出显著的特性。西格尔的超密陶瓷可以像塑料一样弯曲和成型，并且可以挤出或形成最终形状，而不会像陶瓷那样通常出现收缩。铜或钯等金属的纳米相版本比其大晶粒对应物强五倍。西格尔还在制作纳米相复合材料——将微小的陶瓷晶体与金属结合——并且他正在研究形成不寻常的金属合金。“有令人惊叹的机会，”他说。

科学家们不确定纳米相材料为何会如此表现，但西格尔表示，晶粒的大小起着重要作用。例如，纳米相金属之所以如此坚固，是因为在紧密结合的晶粒之间产生裂纹需要大量能量。出于研究目的，西格尔的团队通常只制作硬币大小的纳米相材料圆盘。但他说：“在这个过程中没有什么可以阻止它规模化。”事实上，在1989年末，西格尔帮助创办了一家公司来商业化阿贡的工作。该公司名为纳米相技术公司，每小时生产几克材料。“我怀疑在一年内我们将达到每小时公斤级的阶段，”他说。纳米相材料的首个用途将是在电子产品中——陶瓷芯片和光学设备——以及制造催化剂以推动化学反应。

与此同时，日本人正在积极追踪一种称为功能梯度材料（FGMs）的设计化合物。这些通常不兼容材料的组合——金属和陶瓷——在大约1000度的温度范围内保持稳定，并能承受超过3000华氏度的高温。这使得它们在从航天飞机内衬到为核电厂制造涡轮叶片等方面都非常有用。研究人员已经知道，金属和陶瓷的“夹心”可以提供异常的耐热性和弹性。但这种夹心通常在热或机械应力下会剥离。

为了避免这种情况，日本人使用化学气相沉积和颗粒注入等技术，逐层铺设多个超薄层，逐渐将材料从100%金属转变为50-50混合物，再到100%陶瓷。这消除了陶瓷结束和金属开始的尖锐边界。因此，新材料保持在一起。日本科学技术厅在1986年首次提出FGMs的概念作为一项基础研究项目。已经，钢铁制造商NKK和日本钢铁公司以及东芝陶瓷公司都接受了这一挑战。“如果这是个好主意，资金就会流向那个方向，”科学技术厅材料科学与技术办公室副主任石井俊和说。

智能材料 尽管这一切听起来令人印象深刻，但对于一些工程师来说，这种新炼金术暗示着形而上学。他们想要赋予材料最终的特性：一种粗糙的智能，使材料具备人工“神经”和“肌肉”。因为这些改良的陶瓷和复合材料能够感知环境的变化并相应地做出反应，所以它们被称为智能材料。

例如，在密歇根州立大学，Mukesh V. Gandhi 和 Brian Thompson 正在研究一种自适应直升机旋翼，它能够感知湍流并相应地变得更坚硬。空军正在资助一种用于飞机机翼前缘的智能陶瓷的研究：它会根据变化的条件调整其形状，以实现最大升力，从而提高燃油效率和安全性。而宾夕法尼亚州立大学的固态科学教授 Robert E. Newnham 正在开发一种“隐形”材料，用于潜艇船体，它能够弯曲以改变形状并减少水下湍流。这将帮助潜艇逃避水下监听系统的探测。

使材料“智能”的一个关键是将非机械材料嵌入其中，这些材料在不使用活动部件的情况下改变其形状或物理状态。电流变流体就是这样一种材料家族：它们在施加小电流后毫秒内从液体变为固体。通过将这些流体散布在陶瓷中，Gandhi 和 Thompson 可以减缓旋翼的振动。外部的传感器检测到损伤或湍流，然后发送信号使旋翼叶片变得更坚硬。

在这一概念的变体中，弗吉尼亚理工学院智能材料系统与结构中心的主任 Craig A. Rogers 向用于从飞机到网球拍的石墨增强复合材料中添加镍钛合金线。镍钛合金是一种所谓的记忆合金家族之一——它们在加热时会记住其形状。Rogers 说，通常情况下，石墨增强环氧树脂在温度超过 300 华氏度时会失去一半的刚度——在高性能飞机机翼中，这并不是一个令人愉快的前景。但“有了记忆纤维，石墨环氧树脂在高温下的刚度会增加，”他说。当加热时，如在飞行中，纤维试图恢复到它们记住的形状，为材料增加能量。最终的复合材料在高温下的刚度是目前用于飞机的材料的十倍以上。

仿生学 试图模仿生命的努力也是仿生学的基础，这可能是最具革命性的材料新方法。为此，科学家们从自然中寻找灵感，研究各种材料，如鲍鱼壳、鲨鱼皮和昆虫外骨骼。他们的出发点是母自然提供了最好的模型：“据我们所知，她的失败已经灭绝，”空军科学研究办公室（AFOSR）副主任乔治·A·哈里托斯中校说。“我们正在模仿她所能提供的最佳。”

例如，华盛顿大学材料科学与工程教授伊尔汉·A·阿斯卡伊对鲍鱼的壳产生了兴趣——一种由碳酸钙或普通石灰石制成的扁平耳形软体动物壳，即使300磅的海滩拾荒者踩上去也很难破裂。当在电子显微镜下观察时，这个壳几乎可以说是陶瓷复合材料的完美模仿。阿斯卡伊使用更高科技的材料，但以鲍鱼作为分子排列的模型，合成了一种抗冲击的坦克装甲，其强度是目前使用的人造陶瓷的两倍。美国陆军正在加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室测试他的装甲。

AFOSR研究员弗雷德·L·赫德伯格认为，仿生学将使拟议的国家航空航天飞机受益，该飞机将在从纽约到东京的两小时旅程中进入低轨道。它将承载比航天飞机更大的负载，但为了达到正确的速度和高度，它必须更轻。这就是仿生学的用武之地，赫德伯格说，他研究了角甲虫的强而轻的外骨骼。“当自然为昆虫构建保护涂层时，它还允许动物通过涂层呼吸，提供绝缘，并提供各种传感装置。”一种能够去除热量和感知损伤的多功能皮肤对航空航天飞机特别有用。

外骨骼也很坚韧。“它被设计成在相对的情况下吸收巨大的能量，直到它崩溃，”哈里托斯说。这样的特性很重要，因为在飞机机翼中使用复合材料的最大障碍之一是担心复合材料在遭受有限损伤后会发生灾难性故障。在甲虫身上，自然设计了损伤控制。传统的复合材料用石墨纤维加固——都是圆形的，且直径相同。自然的复合材料则复杂得多，由交织的纤维构成，这些纤维本身往往也是复合材料。而且这些纤维的形状从圆形到极端椭圆形各不相同。“这种复杂的结构是人类刚刚开始实验的，”哈里托斯说。“但它是未来的趋势。”

随着实验室中新材料数量的激增，目前尚不清楚所有的用途可能是什么。以碳60为例——一种在两年前大量合成的新型碳。这种物质的60个碳原子以类似于R·巴克敏斯特·富勒的几何穹顶的足球形状排列。被称为“巴基球”，它们可能用于润滑剂、高温超导体，或作为新塑料的基础。去年在劳伦斯·利弗莫尔开发的气凝胶具有巨大的潜力。它们常被称为“冻结的烟雾”，在世界上已知最轻的固体之一中具有优越的绝缘能力。利弗莫尔的研究人员设想它们可以取代泡沫绝缘材料，而泡沫绝缘材料的制造与臭氧层的破坏有关。一家瑞典公司Airglass正在努力引起人们对在绝缘窗户中使用它们的兴趣。

这些和其他发现可能标志着90年代是材料科学的黄金时代。随着新的联邦支持，美国可能会重新获得一些优势。但阿贡实验室的弗拉丁表示，资金只是方程式的一部分。在日本，企业而非学术或政府实验室形成了尖端：日本材料工作的资金中近75%来自于行业，而美国只有一半。

简而言之，挑战在于设想来自有前景技术的产品。而研究人员表示，这一直是美国工业的绊脚石。“即使我们认为我们有一些非常热门的东西，吸引公司兴趣也很困难，”弗拉丁说。“如果有任何日本研究人员路过，他们会立刻对此感兴趣。”Airglass的创始人安德斯·韦斯特贝里表示，他在寻找700万美元用于商业规模气凝胶工厂时接触的美国和欧洲公司都持谨慎态度，担心盈利需要多长时间。但四五家日本公司对此感兴趣。而且“当我告诉他们需要几年才能看到任何回报时，他们说没问题。”

最终，设计材料研究的影响将在我们周围的世界中显著显现。更快的火车、更坚固的建筑和更逼真的假肢都将带有现代炼金术士的印记。新材料还将在解决一些社会最紧迫的问题中发挥重要作用，从清理环境到减少能源消耗。总的来说，这比将铅转化为黄金更好的目标。

仿生学 大自然为一些最有趣的新材料提供了分子结构。鲍鱼壳是一个很好的例子，它是一种主要由简单材料——石灰石制成的陶瓷复合材料。它相对较高的强度来自于其分子排列的独特方式，呈砖石结构，自然聚合物作为石灰石“砖块”之间的胶水。研究人员使用更高科技的材料，但以鲍鱼为模型，合成了一种抗冲击的坦克装甲，其强度是任何人造陶瓷的两倍，并且比今天的装甲更有效。

其他研究人员正在研究昆虫外骨骼和鲨鱼皮作为先进飞机材料的模型。这个想法是，通过进化，自然材料已经通过了重要的时间考验

工程材料

这些是对已经在航空航天、汽车和建筑等多种行业中大量使用的金属、塑料、复合材料和陶瓷的变体。现在，科学家们正在将高性能特性，如增强的强度和刚度、更轻的重量以及更高的温度抵抗力，工程化地融入这些材料中。一些例子包括超强、耐腐蚀的合金和可以模制成发动机部件的柔性陶瓷。改进的结构材料在短期内具有最大的利润潜力

原子级材料

利用在制造更小、更快的半导体竞赛中开发的技术，科学家们正在将原子重新排列成新型物质。通过分层不同元素的薄膜——有些仅有一两个原子厚——研究人员可以设计出超导性或高强度。他们还在研究所谓的纳米相材料，这些材料由仅包含几千个原子的颗粒组成。其结果包括高强度金属和可塑性陶瓷

智能材料

通常是金属、陶瓷或复合材料，这些材料嵌入了传感器和执行器，使它们具备某些生物特征。它们可以感知周围环境的变化并作出响应。例如，在汽车中，研究人员已经开发出智能悬挂系统，可以减震。他们还在研究装有传感器的智能桥梁，可以在梁即将失效时提醒工程师，以及在湍流中会变硬的直升机旋翼。军方设想智能潜艇船体可以改变其声学特性，以避免被敌方声纳探测