新炼金术：自愈材料如何改变世界 - 彭博社

如果终结者能做到，那么他周围的建筑也能做到。Flickr/加里·奈特曾几何时，炼金术主导了我们对物质世界的理解。它既是科学又是神秘主义，其从业者实验合金，寻找通用溶剂，并希望找到哲学家的石头——一种能将任何接触到的金属变成黄金的物质。

如今，材料科学采用更严格的多学科方法来进行这种工程。材料科学家设计并发现我们认为熟悉的金属、陶瓷和聚合物的非凡变体。最近，他们从人类身体自我修复的方式中汲取灵感，将这些机制转化为能够自我修复裂缝的沥青、混凝土和金属。

彭博社城市实验室加利福尼亚的反超速法案可能成为交通安全的突破休斯顿附近的管道火灾迫使居民撤离官员称休斯顿地区的火灾是由于SUV撞击管道引起的伦敦市长计划将繁忙的牛津街步行化自我修复或“智能”材料可能看起来像古老炼金术的魔法，但它们确实有潜力改变我们的道路、建筑和交通方式。

在热量的作用下，钢丝绒沥青继续存在

正如TripNet去年报道的， 美国超过四分之一的主要城市道路——州际公路、高速公路和其他干道——的路面处于 不合格 状态。这些满是坑洼和撕裂的粗糙道路使得普通美国司机每年损失377美元——全国高达800亿美元的运营和维修成本。而 最近的估计 显示，美国土木工程师学会的数据显示，腐朽的道路、桥梁和其他基础设施的经济损失合计每年从联邦财政中消耗 $1290亿。

显然，我们需要混合更好的沥青——更强的沥青，更便宜的维修成本。

这正是埃里克·施朗根所做的。通过将钢丝绒与沥青通常的卵石和沥青混合，荷兰代尔夫特大学的土木工程师成功创造了一种几乎自我修复的路面材料。正如他所说，它在“外部的帮助下自我修复。”

在他的 TED演讲视频中，你可以看到施朗根博士在舞台上演示他的奇迹沥青：在一群本科生面前，他用空手道劈将一块沥青劈成两半。当他开始谈论在沥青上驾驶的美好时，他将这两块并排放在一个工业微波炉中。

这就是诀窍：是感应加热修复了沥青。微波炉加热钢丝绒，进而融化并混合周围的粘性沥青。去掉热量，沥青冷却，修复沥青。

但实际上将实验室（或TED）中发生的事情应用到现实世界是另一回事。交通官员将从哪里获得巨大的微波炉？施朗根的实验室开发了一种特殊的车辆，可以在道路上通过感应线圈。他估计，交通工作人员每四年左右需要运行一次该机器，以修复小损坏并防止坑洞，从而将特定道路的使用寿命延长约两倍。荷兰官员估计，这项技术（他们部分资助）每年可以为国家节省9000万欧元。

这是 CNN 截图 的感应单元在 Schlangen 的沥青上滚动：

Schlangen 最初在混凝土领域工作，2008 年在获得荷兰政府的资助后开始研究沥青。他描述了与他以前的材料相比，测试沥青的相对容易。“测试混凝土要困难得多，”他说，“因为你不能仅仅做一座桥作为实验并告诉人们在上面行驶。对于道路来说要简单得多，因为如果不行，你只需将其拆除。”

Schlangen 的自愈沥青仍处于测试阶段；他现在已将其应用于荷兰的五条道路。“到目前为止，它的效果很好，”他说。

填补混凝土裂缝的细菌

从我们房屋的基础到桥梁和道路，混凝土是世界上最常见的建筑材料。而且没有熔化或冒烟的过程；只需将水、碎石和水泥混合，你就得到了很快会硬化的厚灰色浆料。

但混凝土并不总是看起来那么坚固。例如，如果一座水泥桥出现裂缝，水进入后会破坏并搅动混凝土的材料，最终在一定程度上填补破损的空间。“从这个意义上说，它自然具有自愈合的特性，”波特兰水泥协会的研究与技术服务副总裁 Steve Kosmatka 告诉我。“水使东西开始移动。”

但是，虽然水具有一些创可贴般的特性，但它的磨损效果大于愈合效果。它还可能腐蚀工程师通常嵌入混凝土中的钢结构，以增强抗拉强度和加固。来自除冰产品的氯化物也可能严重破坏结构。

材料科学家们一直热衷于开发一种在与水接触时表现更好的混凝土。他们所研发的是一种部分活着的混凝土——里面有孢子。孢子！

它的工作原理：混凝土制造商在混合物中加入一批细菌孢子，这些孢子被保护在微小的、透水的胶囊内。他们按计划建造，混凝土凝固。施工后，孢子保持惰性，像冬眠的小熊，直到出现裂缝，水最终渗入。水一渗透到细菌胶囊中，孢子就像活物一样，喜爱水，开始发芽并朝水源移动。在这个过程中，这些细菌自然产生方解石，作为一种生物水泥，填补混凝土中的裂缝。

绿色箭头指向由细菌的方解石轨迹愈合的混凝土裂缝。TU Delft来自全球各地的研究人员——伊利诺伊大学、根特大学、卡迪夫大学，甚至是德尔夫特的Schlangen——正在研究基于细菌的自愈混凝土。但还有其他方法：一些工程师正在寻找利用对水渗透收缩的纤维，有效地将混凝土挤压在一起的方法。还有一些人试图在混凝土中嵌入一种血管网络，将类似胶水的愈合化合物送到结构中的任何裂缝。

一种自我修复的混凝土将延长建筑物和基础设施的使用寿命，并可能带来巨大的节省。根据 根特大学的估计，如果欧盟在桥梁、隧道和土壤支护墙中使用自我修复混凝土，可能每年节省1.2亿欧元的维护成本。

更不用说更好的混凝土可能对环境产生的影响。水泥是混凝土的主要成分，其生产贡献了 全球二氧化碳排放的5%。 更持久的混凝土可能意味着总体上需要更少的水泥。“任何时候一个结构能持续更长时间，这对整个社会都是一种改善，”科斯马特卡说。“如果你有一条每15年就需要更换的道路，而另一条可以在没有维护的情况下使用30年，那就是直接的碳节省。”

自我修复混凝土可能成为首选的环保建筑材料，但现在说得还为时尚早；它仍在测试中。科斯马特卡预测，这可能对建筑商来说是一个昂贵的选择，因此可能主要用于需要长期耐用性的项目。“不适合人行道或房子前面的道路，”他说。“但对于你希望使用一百年的桥梁来说。”

一种裂缝如此之大的金属又重新结合在一起

去年，麻省理工学院的科学家们发现了一种机制，原则上可以在应力下闭合合金中的裂缝。

材料科学家和工程师迈克尔·德姆科维茨及其同事正在研究镍的晶界破裂。晶界是构成金属或合金结构的微小晶粒或晶体之间的分界。该团队正在实验对一块部分破损的镍施加不同程度的张力——也就是说，施加一种你认为会使金属进一步分开的力量。但他们发现，在某些条件下，张力实际上导致裂缝闭合，将边界的边缘重新融合在一起。

“这完全是偶然的，”德姆科维茨说。“这不是我们预期会看到的。”你可以在这段七秒的视频中看到自我修复的过程，感谢麻省理工学院。注意视频底部右侧的矩形形状（一个裂缝）发生了什么。

那个矩形裂缝*与邻近的晶界相互作用，改变了裂缝的行为。当施加足够的张力时，晶界本身可以移动，从而对裂缝产生额外的力量。德姆科维茨说：这对于裂缝的修复至关重要：当额外的力量倾向于闭合裂缝而不是打开它时，金属中的自我修复就可以发生。

这一发现仍然很新，距离实际应用还有很长的路要走。但德姆科维茨说，原则上，自我修复机制可以应用于金属，以修复小问题，防止其进一步扩散。

“现在的问题是，我们如何设计一种在你想要的时候能够自我修复的材料？”他说。“我们还真的不知道。但如果这在工程界得到推广，你将会有巨大的可能性。你可以制造更轻的金属，因为它们不会降解得那么严重。想象一下提高汽车、飞机、地铁的效率，以及建筑物的抗震能力。这一切都是非常新的。”

这一发现还反映了一个令人惊讶的事实，德姆科维奇强调：我们对金属的理解还有很多不足，即使是最简单的金属。他解释说，在一小块铁或镍的内部，有着复杂的结构——就像砖块构成建筑，建筑构成社区，社区构成城市，原子构成晶粒，晶粒构成聚集体，聚集体构成一片金属。“材料的行为实际上是其结构所有层次的集体特性，”他说，“包括缺陷和晶粒排列，以及它们之间的边界。”而正是这些多层次的相互作用，我们并没有完全理解。

把它称为材料科学中留存的一点魔法——一些尚待施展的炼金术。

****更正：***这篇文章的早期版本错误地将裂缝称为“位错”。它不是。

顶部图片由 Flickr 用户 Garry Knight 提供。