一键转换新材料软硬状态


  世界首次演示:有一种材料,改变其强度只需要触摸一下按键。这种转变的实现,只需几秒钟,就可改变材料的电子结构;因此,举例而言,硬而脆的物质可以变得柔软可塑。使这项研发具有革命性的,是这种转变可以通过电信号控制。

  这项世界首创起源于汉堡。雅格•维米勒(Jörg Weißmüller)是一位材料科学家,在德国汉堡理工大学(Technical University of Hamburg)和亥姆霍兹吉斯达中心(Helmholtz Center Geesthacht)工作,他已经开展了这项突破性的研究工作,合作的同事来自中国沈阳金属研究所(Institute for Metal Research in Shenyang)。

  这位51岁的研究员来自德国萨尔州(Saarland),谈到他的基础研究,他说是打开一了扇大门,可以带来多种不同的应用,是“材料科学的一个突破。”这种新型金属高性能材料已经介绍过,作者是雅格•维米勒博士,就在最新一期的科学期刊《科学》(Science)上。举例而言,他们的研究成果可以制成未来的智能材料,这种材料具有自我修复能力,可以自动消除缺陷。

  在坚固性方面,煮鸡蛋可随意调整,就根据烹煮时间调整。但是,有些决定是不可挽回的,煮硬的鸡蛋永远不能重新转变为煮软的鸡蛋。这样,也许会较少有烦恼,因为在早餐桌上,我们可以简单地来回改变鸡蛋不同程度的硬度。

  类似的问题也会出现,因为要制造结构材料,比如金属和合金。这种材料的特性在生产中会进行彻底设置。这迫使工程师作出妥协,选择这种材料的机械性能。更高强度必然伴随着更大的脆性,这就降低了损伤容限(damage tolerance)。

  维米勒教授是汉堡理工大学材料物理与技术研究所所长,也是亥姆霍兹盖斯达中心混合材料系统部(Hybrid Material Systems)主任,他表示:“正是在这一点上取得了重大进展。我们第一次制成一种材料,在使用时,可以来回转换状态,就在硬而脆的性能和软而可塑的状态之间转换。我们仍处于基础研究阶段,但我们的发现可能带来的,是显著地推进开发所谓的智能材料。“

  金属和水的结合

  为了生产这种创新材料,材料科学家采用了一种相对简单的工艺:腐蚀。这类金属通常是贵重金属,比如黄金或白金等,它们被放进酸性溶液。从后果上看,腐蚀过程开始后,微型管道和孔洞会在金属中形成。这种新形成的纳米结构材料,充满网状孔道。

  这些孔会浸透一种导电液体,例如,一种简单的生理盐水溶液(saline solution),或稀释酸,这样,一种真正的金属和液体的混合材料就产生了。这是一种不寻常的“联姻”,正如维米勒说,这种金属和水的结合是由一个电子信号触发,这样,材料属性的改变,只需触摸一下按钮就可以。

  由于离子溶解在液体中,金属表面可带电。换句话说,金属方面力学性能的改变,可以采用液体方面的一个电势。这一效果可追溯到加强或减弱金属表面的原子键合,当额外的电子被加入或抽出表面原子时,就会这样。这种材料的强度可提高一倍,只要需要。另外,这种材料也可以切换到一种较弱状态,但具有更大的损伤容限,可吸收能量,而且具有可塑性。

  具体应用仍然是将来的事情。然而,研究人员已经在考虑未来。原则上,这种材料产生电信号,具有自发性和选择性,这样,强化材料就可以在局部应力集中区域进行。损伤,比如形成裂缝的,就可以预防,甚至修复。这使科学家迈出了一大步,更接近他们目标中的“智能”高性能材料。