【科技评论】从科幻到现实：四种神奇的超能力材料
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材料科学是很多超级英雄的能力的来源，例如漫威中的神奇四侠——弹性材料、隐形材料、超强度材料以及热能材料。虽然看起来在科幻中才能实现隐形或者变形，但是现有的材料理论完全可以实现这些超能力。事实上，通过科学家们夜以继日的工作，这些理论已经得到了应用。随着材料科学研究的不断进步，不论是开发高效的新能源亦或制造航天飞机进行外太空探索，全世界的各个行业都将感受到材料发展带来的好处。
弹性材料
可以自愈合的金刚狼
弹性材料可以分为自愈材料和可重组材料。
首先是自愈材料。在无人为干预下，自愈材料可以通过改造化学键和利用细菌来修复破损。事实上，自愈材料已经得到了很大的应用，例如采用自愈混凝土作为海军舰船的防腐材料。另一部分是可重组材料，这种材料可以在不同的条件下改变自身的性能。在微观角度，可重组材料的分子键可以通过吸收能量发生可逆性的重组，这种转换在宏观上体现为聚合物形状变化，例如聚合物材料在通电或光照的环境下可以发生卷曲和折叠。“在现实世界中，我们可以将可重组材料设计成飞机或者汽车。
目前，飞机机翼的形状还是固定的，但是未来可以设想，机翼会根据不同的飞行阶段改变形状，起飞、着陆等都不相同。”材料学家安娜保尔森说,“如果设计出可重构材料，那么机翼可以在飞行过程中通过改变形状，从而提高燃油使用效率。”此外，尽管在当下，一种超材料可把一个英雄变成降落伞或者蹦床还是十分不现实的事情，但是，NASA目前探索柔韧性机翼的试验则可以从此类研究中得到启发。
隐形材料
加拿大研发的隐身材料
隐形材料通过解决物体本身和可见光的问题来使物体隐形。目前，隐形材料主要利用导通和绝缘元件改变物体周围的电磁辐射，但是在使物体隐形时，科学家们主要面临三个困难：改变物体的形态、在三维角度上控制光线、改变光的波长。“在理论上克服这些困难是可行的，而且已经在模拟实验中实现了这些性能，”保尔森说,“比如，目前研究人员开发的三维级的图案可以使我们在三维角度控制光线。”尽管成为一个具有隐形能力的超级英雄很吸引人，但隐形材料在提升我们的生活质量上也将会大有作为。我们可以设想将隐形材料与建筑结合一起，比如在帝国大厦的顶部采用隐形材料制作护栏。除此以外，隐形材料可以通过改变光路制造一种新的光学处理器来生产速度更快的计算机，并且可以大幅度提高起传输的功率。
超强度材料
研究超强度材料，必须得从分子水平开始研究。这样不得不提到纳米技术，纳米技术是在纳米尺度（一到一百纳米或一百万分之一毫米）上进行的物质操作的技术。在这种尺度上，你可以改变单个原子或分子来改变他们的物理、化学、生物学和光学性能。其中石墨烯因为其特殊的结构所以被视为纳米技术最好的原材料之一。纯态的石墨烯是单一的碳原子层，其键合非常紧密以至于几乎所有的材料都难以渗透，而正是这种结构使得石墨烯可以承受极高的化学、温度以及压力条件。
虽然目前研究中的此类材料主要用于电子产品以及医疗设备，但是穿孔石墨烯片也可以用于解决清洁饮用水和能源管理等全球性重大问题。同时纳米技术促进了碳纳米管的发展，碳纳米管具有令人难以置信的性能，比钢的强度大100倍，体积却比人的头发小10000倍。“使纳米碳管中的碳原子紧密结合在一起的是他们之间的配位结构以及强化学键，”材料学家米切尔说到。目前，碳纳米结构体纤维已经被应用于朱诺太空船。在不久的将来，由于其优良的节能性能，碳纳米管可用于增强锂电池寿命，扩大闪存容量，制造智能手机中的传感器,还可以编织成衣服，生产高强度轻质复合材料的电子线路。
然而，制约纳米管结构大规模生产的是增强其长度极限的能力。在实验室中，一分钟可以产生多种碳纳米管，但同时纳米管仅仅伸长到几厘米。保尔森说：“如果有了米尺度的纳米管，你可以将他们设计成轻型汽车。此外，尽管纳米管只在一定的方向上保持高强度，但将它们装配在多个方向可以使车辆抵御冲击。”同时，科学家已经可以将多种纳米管结合在一起进而生产出质轻，强度高的面料。小伙伴们，这种超能力很快就会发生在我们身边了，不是么？
热能材料
热能材料的特点是其化学键可以承受住极高的温度。通常来说，这种材料不仅要求高熔点，而且为了起保护作用还需要为热绝缘体。例如，超级汽车（或者超人）在超音速（5马赫以上）飞行时所采用的材料必须得能承受超过2200度的超高温度。
有了这样的耐热材料，我们可以设计太空飞船进行更深入的太空探索，甚至探索一些像太阳表面一样极度炎热的地方。 “当然，探索超高温度的地方将很有挑战性，因为这些地方同时也是高压力和强辐射的地区，”热力学家迈克说道，“不过，我们可以设计和开发先进的推进系统，以避开太空中的危险区域。”
虽然对于超级英雄来说，他们可以控制火焰，但是对于每个普通人来说，我们需要的是进行消防和安全的耐热材料。此外，耐热材料也可以制造高效的发动机，而这种发动机能将燃料的消耗减少到一半。
（来源：材料人网，http://www.cailiaoren.com，译者：轻量化学习小组 牛赓）
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高科技材料让你拥有超能力：可隐形和变形
北京时间9月4日消息，据国外媒体报道，随着《新神奇四侠》电影在全球各地上映热播，影片中四位男女主角令人咋舌的超能力再次成为科幻爱好者热议的话题。洛克希德-马丁公司科学家们表现得兴致勃勃，聚焦研究如何通过科技创新，在现实生活中复制这些超能力。显然，在现实生活中，人们不会像电影剧情那样遭遇宇宙射线辐射而发生变异，也不会在严酷的宇宙空间中穿越变形。洛克希德-马丁公司认为，普通人要具备超能力，只能借助高科技材料。科学家描绘了一幅变身神奇先生的蓝图：自修复式弹性聚合物可以令人像神奇先生一样，任意延伸、扭曲，变幻形状；反光材料可以令人像隐形女一样，拥有隐身的能力；硬度是钢100倍的碳纳米管，可以让人像石头人一般力大无穷；耐高温材料可以保护人在霹雳火的火焰下毫发无损。
神奇先生：伸缩技术
在材料设计上，伸缩性指的是可自修复，或可重构的能力。在没有人类干涉的情况下，自修复材料可通过重组化学键或使用病毒，实现损伤部位的自修复。事实上，这类材料目前已被应用于诸如自愈合混凝土等领域，未来或将被应用于海军舰只上的防腐涂料中。可重构材料则能在不同环境下可改变自身属性。从微观尺度上看，通过吸收或放射能量，个体分子键可具备可逆的变形能力。聚合材料可以实现宏观形态变化，例如，放置于光或电荷下，聚合物可自动卷缩或伸展。
洛克希德-马丁公司材料专家安娜-保尔森说：“在现实世界中，我们可以设想在飞机或汽车设计中，研发应用可重构元素。如今，飞机机翼的形态是固定的，但是在不同飞行阶段中，如滑行、起飞、降落等，理想的机翼形状应该所有不同。如果在设计中利用到可重构材料，飞机就可在飞行中优化机翼形状，提高航空燃油的利用率。”尽管利用高科技材料变身降落伞或蹦床的想法听上去有些荒诞，不过美国宇航局已受该领域研究的启发，探索开发弹性飞机机翼。
隐形女：隐形技术
资料图：现在已有多个国家科研机构研制光学隐身材料
要令物体消失于无形，需要科学家致力于图案与光线的研究。隐形材料有着特殊的图案，且具有传导与隔绝元件，能管理物体周围的电磁辐射。在隐形材料领域，科学家面临着三大挑战：改变这些图案的大小、控制三维光线，以及设计适合多波长的图案。保尔森说：“从物理学角度来看，克服这些困难是可行的。目前，我们已经模拟出具备这些必要属性的图案。如今，研究人员正在研发新技术，制造三维纳米级图案，可以用来控制三维的光线。”
很显然，成为一名隐形超级英雄很具诱惑力，未来在我们的日常生活中，隐形技术将在美学领域大显身手，例如，将具备隐形特性的建筑材料应用于电力线，或者纽约帝国大厦顶部的护栏。此外，隐形材料的应用领域还有高速计算机中的光学处理器，以及高能天线中的天线材料。
石头人：超高硬度
碳纳米管的硬度是钢的100倍，比人类的头发还纤细10000倍。科学家表示，将碳纳米管织入衣服中，将可制成硬度超高的石头人服。
要令人具有超高硬度，需要着眼于分子级的科学原理研究。纳米技术就是一种纳米级的物质控制技术，分子级介于1到100纳米之间，或百万分之一毫米。利用纳米技术，人们可以改变单个原子和分子，从而改变物质的物理、化学、生物以及光学属性。碳是纳米技术应用的最佳原材料之一，如石墨烯就是一种由碳原子构成的二维碳材料。石墨烯的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间结合紧密，使得石墨烯拥有极其优异的力学性质和结构刚性——由石墨烯制成的材料具有难以置信的硬度，耐腐蚀、耐高温、耐高压。目前，科学家正致力于研究石墨烯材料，以期应用于电子显示屏和医学设备。同时，对在石墨烯片上钻孔的可能性研究，将令科学家能够解决一些新问题，如纯净饮用水和电源管理。
纳米技术还带来了碳纳米管的开发应用。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻体积小，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能——硬度是钢的100倍，且比人的头发纤细10000倍。洛克希德-马丁公司研究专家米歇尔-梅恩霍德称：“正是这些碳原子之间完美的连接结构，才使得碳纳米管硬度超强。”目前，碳纳米管应用可见于“朱诺”号飞船的建造。在不久的将来，一旦碳纳米管具备了节能属性，将可被广泛应用于长寿命锂电池、1TB闪存、智能电话的化学传感器、织入衣服的电子布线，以及高硬度轻质复合材料等消费品中。然而，大规模生产植入碳纳米管的材料结构目前存在很多局限性，其中最大的局限性在于大规模增加碳纳米管长度。
目前，碳纳米管研发还处于实验室阶段，研制的所谓“微型碳纳米管森林”也仅长几厘米。保尔森说：“一旦研制成数米长的碳纳米管，我们就能将其应用于超轻汽车的设计中。由于碳纳米管只在单一方向上具有高硬度，在汽车设计中需多个方向将其组合起来，以使汽车拥有良好的抗震性。”目前，科学家正在研究将大量碳纳米管绞缠起来，生产出一种超硬度的轻质面料。有了石头人的套装，人人都是超级大力士。
霹雳火：耐热技术
应用热力学原理的高科技材料，因其分子键特性可以抵抗超高温度。总体上来说，越坚硬有力的材料就具有越高的熔点。而要作为一种保护屏障，这种材料还必须具备弱导热性。举个例子，一辆车（或者一个超人）要以超音速速度移动，就需要使用这种超耐材料，耐得住3000华氏度（约合1648摄氏度）的高温。
借助这种耐热材料，我们可以改进太空飞船设计，使其可以进入更遥远的太空，或者探索更炽热的星体——如太阳表面。洛克希德-马丁公司热力学家迈克尔-斯多克表示：“当然，探索未知高温太空世界，在目前来看仍然是一个巨大挑战，因为这些地方还存在高压和辐射。不过，我们可以设计研发高级动力系统，让飞船在躲避太空中的危险区域的同时将其带入恒星上。”
霹雳火拥有控制火的能力，能够用火包裹住身体并发动攻击。对我们普通人而言，耐热材料可能只会在安全防火领域中一显身手。此外，耐高温材料还将被应用于超高效率发动机中，实现燃油消耗的减半。
（来源：新浪科技，作者：彬彬）
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