金属也有“再生”机能
来源： 中国科学报 发布时间：2022-04-08
■本报记者 童岱
金属也是有“生命”的，在一定人为干预的条件下，会出现一种自我修复的机制。而这种机制一旦被人类掌握，便可能研制出更多新式材料，应用在工业、军事等方面。
自我修复，是生物界在长期进化过程中获得的自我防御机制之一。无生命的物体能否自我“康复”呢？美国麻省理工学院的科研人员似乎想给出肯定的答案。他们发现，受损的金属也具有自我修复的功能，相关成果发表在近期出版的《物理评论快报》上。
金属自我修复的秘密
迈克尔·戴姆克维兹是麻省理工学院（mit）的材料科学和工程教授，他和研究生徐国强在一项金属特型实验中意外发现，在受到外部力量作用产生裂痕后，金属的晶粒边界可以展开大面积的修复行为。
“我们在以往的试验中也曾发现，金属在固态变为液态的时候会发生相变，有不同的相态和不同的晶体。在力学和其他外部条件的作用下，会出现形态各异的支晶，类似于雪花、冰晶。”中国科学院理化技术研究所双聘研究员刘静在接受《中国科学报》记者采访时表示。
多数金属都由细微的晶粒构成，这些晶粒的大小和方向能影响金属的强度和特性。刘静谈到，相变过程中，金属中的支晶有的像狼牙棒、有的像仙人掌，确实会产生自我修复，但其状态和程度取决于很多因素，比如单质的金属和合金就不一样，温度的高低也会产生不同的影响。
事实上，近几十年来，固体金属中晶粒边界的移动一直吸引着科研人员的关注，但很多研究发现，只有某些晶粒边界才会诱发自我修复的现象，并非所有部分。这就造成了一种被称为“向错”的缺陷，这种现象早在一个世纪前就已经被观察到，但当时只被认为是一种奇特现象。
为了重现试验中观察到的现象，戴姆克维兹建立了计算机模型，通过模型演示，能发现微晶粒之间的边界，会在外部压力下出现“创口”。这使得晶粒的微观结构发生改变，晶粒边界发生移动，而这种移动便是修复“创口”的关键。
在戴姆克维兹看来，金属内部原则上都存在一个缩小外力造成裂痕的机制，可以减弱外部力量产生的影响。当金属材料产生“创口”时，这种机制会阻止“伤口”进一步扩大，并使之产生“愈合”。
在发现这个机制后，麻省理工学院的研究人员将依此设计相应的金属合金，以便在特殊应用条件下产生自我修复的功能。戴姆克维兹认为，合金微观结构控制技术已经存在，现在只需要计算出如何获得理想的结果，期望设计出可以自我复原的金属材料。
人为干预使液态金属具备修复能力
对于金属的自我修复机制，人为介入的手段似乎更多，科研人员试图用更多的人为干预，寻找最有效的金属材料。
早在前几年，北卡罗来纳州立大学的科研人员就发现了一种使用液态金属和特殊聚合物制造电线的方法。这种电线具备极强的伸缩能力，可以拉伸原始长度8倍的液态金属电线，在拉伸的过程中电线仍能正常使用，并且即便完全切断都具备自我修复的功能，可以用来建造复杂的3d结构，改进高压技术的实现方式。
记者在这一研究的视频中看到，科研人员为了制备这种具备自我修复能力的电线，还专门制造了一种外部护套，由聚合物材料构成。随后，他们将铟和镓的液态合金放置于这一同样具有可延展功能的护套通道之中。
接着，和液态合金相连的电线可以导电使得灯泡变亮。为了验证这种液态金属的自我修复能力，科研人员用剪刀将护套以及液态金属的通道剪断，灯泡随之熄灭。但外露的液态金属因为立刻被氧化，形成了坚固外层，不会有泄漏。
这时，再将剪断的两边结合起来，液态金属又恢复了流动，灯泡也再次被点燃，可见其修复能力使得结合效果与断裂之前相同。这一成果未来可以应用于从耳机线到手机充电器电线等各种电线和电子纺织品中。
负责该项研究的迈克尔·迪基博士表示，这种液态金属电线可以供可携式无线设备使用。因为包裹在特殊材料护套中的液态电线，不仅可自我修复，还具备可根据其接收的无线电波长来自我调整的能力。
如果将这样的液态电线与小型录音设备相连，嵌置于桥梁或水坝内，电线会随着压力变化而伸收，建筑结构的安全性便可以被实时监测。
应用层面已有所开拓
在利用金属自我修复机制的应用层面，美国已经有所收获。美国伊利诺伊大学香槟分校的科研人员就曾研制出一种不寻常的电路，能在崩溃时通过释放液态金属，恢复电路的导电性从而修复自身。这一成果可用来制备具有自我修复功能的电子芯片和电子设备。
其原理是：利用导致芯片破损的外界压力，“碾破”一个载有修复材料的微型胶囊，释放出的液态金属能及时填充在破损导致的间隙中，使得电流重新恢复工作。
实验结果表明，这种微型胶囊能“治愈”大部分测试电路，用时只需一微秒，便能让电压恢复到正常值。科研团队希望借用这一技术，可以研制出寿命更长的可充电电池。
要知道，现在的可充电电池在多次重复使用后会因设备内部的损害中断电流引发故障，一旦这个问题被解决，电动汽车电池的寿命将大幅度延长，维护成本也将减小。
利用自我修复的机能，部分金属还可以与其他特殊材料混合制成复合材料，用于军事方面。比如美国五角大楼曾检测一项可自我修复的新材料，这种材料由镁、铝等金属，与其他特殊材料混合构制，其内部呈泡沫结构，熔点相对较低。
若用在装甲车外部，一旦遭到火箭弹等重型武器攻击，这种材料中的泡沫便会破裂，裂缝会被气流携带的金属液体迅速填补愈合，凝固后，就能使得“创口愈合”，恢复如初。
中科院在金属修复能力机制探索方面同样有所建树，刘静及其团队的科研成果就发表在前不久的美国物理学会《应用物理快报》上。其核心思想在于：他们在驱动弹性体方面引入了具有超级顺应性和平面自修复特性的液态金属薄膜技术，其中液态金属薄膜平面自修复现象系首次发现。
“这一技术可以实现的弹性材料形变量，显著超越了以往的固体金属电极技术，以及近年来引起关注的纳米金属颗粒浆料电极技术，在人工肌肉、柔性电子和智能服等方面有着重要的应用价值。”刘静说，金属的自我修复机制现在引起了越来越广泛的关注，未来在应用层面还会有更大的拓展。
延伸阅读
“金属肌肉”也可自我修复？
通常而言，人造肌肉没有能力自我修复，科学家也在积极寻找对策。在这方面，美国得州大学纳米技术研究院的教授雷·鲍夫曼的研究显得非常积极。
他的研究思路是，利用电池或电源线为人造肌肉提供生命能量，其中像柴油等化学燃料储存的能量最多，相当于电池能量的10到100倍，但是如果能像人类肌肉通过食物供应获得再生能力一样，人造肌肉能够利用自我供电的方式获得能量，人造肌肉就会迈出伟大的一步。
起先，鲍夫曼小组利用几层碳纳米管研制成人造肌肉，由于碳纳米管能够容纳大量的电荷，向这些层状碳纳米管中施加一定的电压后，这些人造肌肉能够收缩。紧接着，鲍夫曼将层状碳纳米管与燃料电池相连，这些燃料电池能够将化学能转化成电能。
但是碳纳米肌肉有一个很大的局限，虽然能够产生的力量是人类肌肉的100倍，但它的伸缩幅度太小，不能用于人造器官等装置。鉴于此，鲍夫曼开始尝试另一种完全不同的材料。
这个新材料就是镍钛诺，它是一种镍钛合金，拥有记忆形状的特殊能力，这种合金能够很容易地弯曲或伸展，一旦外力消失又会很快恢复到以前的形状。鲍夫曼将这些合金做成电线，这些电线能够“记住”两个不同的长度点。镍钛诺人造肌肉最大的优点是伸展幅度非常大，完全可以达到机器人和人造假肢的要求。
目前，具有记忆形状的镍钛诺肌肉所需要的循环系统还在研究中，人造肌肉在控制精确性、耐受力和生物相容性等方面还需要改进。
（曾笑生整理）
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