可编程材料，未来科技的材料“基建”_风闻

文/观察未来科技

材料的进步在很大程度上带领着科技的进步，对材料的认识也彰显了人类自身对于世界的认知程度。早在文艺复兴时期，近代科学家就已经开始了科学的研究探索化学合成和加工新的材料，从塑料到今天的石墨烯和碳纳米管，对材料的认识和发现贯穿着整个近现代科学发展的历史。

**当前，即便由石墨烯及其衍生物带来的种种技术创新让我们已经窥见被颠覆的明天世界，但****研究仍将继续。**不可避免的是，其他材料也将被相继发现，为人们展现目前难以想象的更加远大的技术前景。在这些备选项里，可编程材料是极其重要的一个选择。

​传统材料和可编程材料

可编程材料，简单来说，就是可以通过外部信号的应用来改变形状或行为，而这种信号可能来自电场、外部施加的压力，或者其他局部性质的操控。

基于可编程材料而发展的可编程材料技术，就是可以向材料传导或者输入的数字电子信号，甚至可以是脑电波经过编译之后的信号，以及热信号和光信号等，材料根据输入的特定信号而被诱导作用，从而定向、有序地改变分子间的排布和分子间结构，甚至是破坏固有分子形态，产生超出原本属性的物理表现。

这跟传统的材料制备和合成工艺有着根本上的区别，传统的大规模材料制备工业中，只能粗糙地，不能精确地制造出所需要的部件，工艺过程中不可避免地会让零件或者材料产生缺陷和变形或者功能和性质上的偏差，从而难以适应未来越来越严格的精细和高度定向的材料设计要求。

而可编程这个概念，则将计算机语言精细功能化、模块化、智能化的基础特征融入功能材料设计与制备工艺中，通过数控终端用自动化、智能化的汇编语言来实现对材料的进行定向地精确地光诱导、热处理、表面化学合成、修饰、刻蚀、电磁激发等各种物理化学处理。

以我们人手一部的智能手机为例，如果我们想要在智能手机或平板电脑上阅读一些新闻，要想找到阅读新闻的应用程序并打开这个程序，我们就需要用到触摸屏。触摸屏是一种分层堆积的透明材料，与电子设备中的视觉显示和电子控制系统集成在一起。

当受到压力时，屏幕会以预编的方式进行响应，与设备的电子控制系统连通，从而得到所需的结果——当屏幕被触碰时，它的电性质将发生改变。一些触摸屏会利用这种变化实现互动，并控制设备的响应。虽然压力与电性质在物理学上有很大差别，但它们产生的功能是一样的。此类预编的响应结果包括打开或关闭设备、打开或关闭应用程序输人文本等。

**可编程材料的优势是显而易见的。一方面，可编程材料将实现材料的精确化。**当前，由于科技的限制，许多要求在微观尺度下进行加工或者制备功能材料的工艺远远达不到理论的要求，更不要说是工艺步骤中产生的绝对误差，而可编程材料无论是表面物理化学处理，还是微纳米结构材料的加工或合成，都能够实现一种更加微小的、集成化的精细加工，在形状，物理化学性质等方面对局部都做到近乎理想情况的水平；另外，由于计算机语言量化的特性，决定了可编程材料在加工制备的过程基本不会有无意义的消耗。

另一方面，作为处于数字化工艺生产的终端的材料本身，在传统工艺上步骤分离的加工方式在可编程材料上****将像现代硅基半导体芯片一样进行集成化，这种集成化不仅仅只是在将多步骤的工艺融合到一体一步的地步，并且不同化学物理的加工处理方式上也将统一到同一个基体内，连续化的工艺将减少产品生产的不可预计的误差产生。

另外，由于未来计算机语言将具有明显学习特征，可编程材料作为处理命令的一部分也将服从系统的智能特性，能够应对更加复杂情况做出正确选择，另外智能化的推进也将大大增强可编程材料自我修复和弥补的功能。

可编程材料临近

当前，可编程材料已经悄然进入我们的生活。

镍钛诺是一种由镍和钛组成的合金，它可以被塑造成某种形状，然后在遇热时自行改变形状**，基于这种特性，镍钛诺也被称为记忆合金**。

镍钛诺可以用于制造电线，在各种消费品和工业品中都有所应用。比如，牙套的弓丝，人体的热量会给镍钛诺制成的弓丝加热，导致弓丝收缩继而施加必要的力，以矫正牙齿的位置；心脏手术中植入的支架；恒温控制器，用于需要让形状随温度发生变化的地方；以及控制太空系统稳定形态设备。事实上，自从镍钛诺在1959年被科学家发现，科学家几乎在每年都能发现新的用途。

**显然，拥有超强形状记忆功能的材料将在日常生活中发挥非常实用的功能。**比如，在停车场撞弯保险杠时使用这种材料修补汽车的轻微损坏，不难想象，汽车保险杠或侧板所采用的材料，平时呈现的是某一种形状，但它们在加热或暴露在特定波长的光线下时，又会呈现出另一种形状。**技术人员也许只需将保险杠置于精准调校的“汽车修理灯”下，它就能自动恢复到原状。**这样，人们就无需为汽车提供其他昂贵的修理服务或更换配件。

这项技术同样适用于飞机，使之随着飞行环境的改变不断调整形状，并依据当地条件优化性能。大多数运输工具都只能保持一种固定形态，但如果运输工具可以根据当地环境条件巧妙地改变形状——比如，汽车、飞机或船只都能够稍微变化外壳形态，就可以提高几个百分点的燃油效率，就像职业自行车手在下坡时对骑行姿态做出细微调整，以便充分利用最后一点俯冲速度。

另外，姜-泰勒金属也是最具代表性的可编程材料之一**，姜-泰勒金属可随着环境的改变呈现出不同的电性质**。姜-泰勒金属的名字来自姜-泰勒效应，该效应形容在低压环境下，电子状态下呈几何排列的分子和离子能发生扭曲，这种新物质状态能让科学家通过简单施压将绝缘体（不能导电）变为导体。

曾有实验尝试将可编程材料与C60结合在一起。由60个碳原子构成的巴克球在充入金属铷之后，一旦承受压力，就会变为足球形状，而在压力减弱后又可恢复为正常的球形。想在单分子水平上控制任意数量的“开/关”系统，那样的响应性分子是成功的关键**——要知道，“开/关”系统正是数宇革命的基础。**

不仅如此，其他材料所具有的 “开关” 潜力也逐渐显现出来，索烃和轮烷是属于机械互锁结构（MIMAs）的两类纳米材料，分别于 1983 年和 1991 年受到广泛认可，并让-皮埃尔·索瓦日（ Jean-Picrre Sauvage）和弗雷泽·斯托达特爵士（Sir FraserStoddart）凭借这两种材料在“分子机器设计与合成”中的应用，获得2016 年诺贝尔化学奖。

索烃属于机械互锁结构，看起来像是两个相互锁在一起的环。这种材料是由长长的分子链构成的，这些分子链弯曲成环状，首尾街接，形成永久性的闭合环。环与环之间也会相互吸引，不过，这种分子间的作用力较弱，近似于石墨烯薄片之间的作用力。这种分子间的作用力形成了所谓的超分子系统，而超分子系统不再仅仅由一个孤立的分子构成。

轮烷****则类似于一个哑铃，手柄处围绕着一个独立的环。分子较粗大的部位构成了哑铃末端的“砝码”，可以防止套环滑脱。套环和手柄之间发生强烈交互作用的地方称为基点。在遇到适当条件时，套环可在基点之间穿梭或跳跃。

**经过多年的实验，研究人员已经发现，他们可以预先设计出套环和手柄之间的引力，从而实现自动穿套。**这意味着索烃和轮烷将成为可编程材料，另一种化学反应将增加套环/手柄超分子系统的重量，从而困住套环，使其成为整个系统的一部分。

未来科技的“基建”

当然，当前的可编程材料的应用还只停留在浅层，长远来看，可编程材料将成为未来科技“基建”一般的存在，比如，在纳米机器人的应用中，可编程材料就将发挥不可替代的重要作用。

**还是以索烃和轮烷为例，2005 年，荷兰、英国与意大利联合研究小组共同开发出一种纳米机器，**只需向它添加某种光线，科学家就能让液体逆流所上。该研究小组制成一种轮烷，它的手柄有两个固定基点，同时轮烷的一个砝码将手柄与一个特制的斜面连接起来。

在常态下，液体会沿并斜面向下流动，原理也很简单，就是重力的作用而已。研究人员发现，在正常情況下，经轮烷改造的斜面同样会让液体向下流动。然而，当他们利用一种特殊光线照射轮烷改良后的斜面时，液体便会违反重力作用，向上流动。究其原因**，光线照向斜面时会被轮烷环吸收，从而赋予了轮烷环充足的能量，使其能够从一个基点移动到另一个基点**。当轮烷环跃至第二个基点时，顶部的砝码便会对液体产生排斥。

基于此，重新设置好光线位置后，研究人员就能够使整个水滴沿晶片向上滚动。光源关闭之后，轮烷环将回到原始基点，液滴也将随之沿品片向下滚动。

**这意味着，量子级作用力经过叠加便会在产生巨大的效应。**更重要的是，这种巨大效应将会在包括纳米机器人在内的技术中产生真正的价值，比如，帮助分子向特定目标运动，通过注入物体实现无创精确手术等。理查德·费曼在 1959年题为《微观世界有无垠的空间》的演讲中便谈到了微机器人在医学中的应用，在当时，这些应用显得非常遥远且异想天开，而现在，人们已经通过更深入的研究看到了这些应用的未来和希望。

可编程材料另一项重要的应用是在4D打印中的应用。4D打印技术于2013年由麻省理工学院首次进行展示：将采用4D打印技术制作而成的聚合物链条置于水中，链条自动折叠形成预先设计的形状。这种链条由两种材料采用增材制造而成，一种在水中膨胀，另一种体积不变。遇水膨胀的部位压迫其他部位产生形变，形成预定的形状。

与3D打印技术通过各种方式将原材料如同叠“砖块”一般逐层堆叠成形，具有高设计自由度、无需模具等优点不同，**4D打印采用经特殊设计和制备的可编程材料，使这些“砖块”能够感知外界条件，随之产生形状、性能和功能的变化。**可以说，可编程材料的应用正是4D打印实现的基础和关键。

实际上，4D打印技术的诞生就与可编程材料的研究密切相关。2007年，美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了“可编程物质”项目研究，该项目旨开发出一种可在软件控制或外界刺激的条件下转变成理想或有用形态的智能材料，实现根据需求在现场快速制造物资，并使军事装备能够根据指令改变形状。在未来，4D打印还将在多领域展现出其意义和魅力。

可以说，可编程材料的颠覆性并不比石墨烯或者碳纳米管要小，可编程材料依然是下一场材料科学革命的重要组成部分，并且在社会生活中得到今天难以想像的应用。