智能未来——材料科学家可以描绘一个怎样的世界？
在《变形金刚》中，擎天柱和大黄蜂等汽车人可以随时“变身”切换形态，让我们向往不已，也憧憬着未来世界中这样的智能可以成为现实。
什么是“智能”呢？人类学家可能会告诉我们，是我们人类自己，因为我们会记忆、有逻辑、善分析；动物学家可能会补充，智能不仅仅局限于智人本身，海豚、猴子、狗、大象等等物种，同样拥有互相交流、学习的能力；植物学家进一步拓宽了我们的认识，发现某些植物也十分“聪明”，比如有可以感知环境、捕捉昆虫的捕蝇草等等，这些是宏观世界我们能够找到的答案。
而生物学家则将注意力放在了微观世界当中。他们用显微镜告诉我们，一个细胞是一个复杂生命系统的基本单位，它可以被看作是最原始的“智能”，因此或许值得我们仔细研究。比如说，细胞具有很多的“执行”功能，依赖细胞内的各类“士兵”们像微丝、微管、细胞膜等等完成细胞的分裂、迁移与信号传递。再比如，细胞还具有一个“控制”系统，可以自主完成DNA的复制、细胞内离子的扩散等等。他们认为：细胞拥有可以进行“分析”的“大脑”，例如当细胞中同时具有葡萄糖和乳糖时，细胞可以“命令”只从葡萄糖中获得能量而不对乳糖进行分解，因为那样效率比较低，而细胞很善于“精打细算”。
除了生命系统以外，还有更多的科学家试图给予“智能”一个答案。比如计算机科学家模仿了人脑的功能，发明了电脑,对我们的工作和生活带来了极大的方便。在此基础上，机器人的出现又为“智能”的发展迈进了新的一步，比如，美国的“好奇号”火星探测车，中国的“玉兔号”系列探测车。然而人类对智能未来的偏爱并没有消减，于是，当AlphaGo代表的机器智能战胜人类围棋顶尖高手时，全世界终于进入了对于人工智能的讨论热潮。材料科学家可以描绘出怎样的智能未来呢？在著名科幻电影系列《终结者》中的液态金属机器人“T1000”想必大家并不陌生，它时而坚不可摧，时而柔软似水的神奇特性曾给我们留下了深刻的印象。其实，这样的液态金属材料已正逐步成为现实。不仅如此，世界各地的材料科学家们还在研究着各种各样新奇的“智能材料”，从材料的角度重新定义了“智能”——例如可以自动修复飞机机翼材料的自愈合材料，或者是可以跟踪并杀死癌细胞的纳米材料机器人，以及由智能纺织材料织成的可以随时随刻感知人体生理特征的智能纺织衣等等，“智能材料”在未来世界里有着广阔的想象空间，并一点一滴地成为现实。
图1 各类“智能”系统（a）海豚（b）细胞（c）火星探测车（d）液态金属机器人
年轻的“智能材料”
智能材料概念出现的时间不长，20世纪80年代末期，美国的C.Rogers教授、R.E.Newnhain教授以及日本的高木俊宜教授等学者首先将“智能”这一概念引入到材料领域。这一构想来源于仿生的思想，也就是说期望材料能够像生命系统一样，具有感知、驱动和控制三方面的功能。在之后的日本航空电子技术审议会上，“智能材料”（smart material）被正式定义为——可以感知内外部环境刺激，自动、及时且适当地调整其结构与功能以做出响应的材料。可能大家会很奇怪，为什么会在航空电子技术会议上讨论这样的问题呢？这其实很大程度上是与一种可以“自愈合”的智能材料相关。下面我们简单介绍一下这种典型的智能材料，如图2。大家都知道，飞机作为现代社会一种重要的交通工具，安全性是重中之重，飞机的任何部件都要保证绝对的稳定有效，哪怕是机翼上极其微小的裂痕也是不允许的，一旦出现问题，这样一架造价昂贵的飞机就报废了。有没有什么办法能够减少这种浪费呢？富有想象力的材料科学家们联想到人类皮肤的自修复功能，于是仿制出同样具有自愈合功能的液体材料，将其流入到裂缝中并加入催化剂，液体便会固化并像拥有魔法一般修复裂缝。想想看，一旦这种智能材料成熟以后用在机翼修复中，那将会解决多么重要但难以用传统方法解决的问题呀！
图2（a）机翼（b）自愈合聚合物材料示意图（c）皮肤伤口自愈合
除了自愈合材料外，智能材料还包含着非常丰富的类型，比如热致变色材料、形状记忆合金、磁致伸缩材料等等。材料科学家们正致力于将广泛的环境刺激源比如温度变化、湿度变化、光照等等与材料的智能响应的能力结合起来，在这发展过程中，二氧化钒作为一种新兴的智能材料，逐渐受到大家的广泛关注，并悄悄地引领深刻的变革，下面我们就从钒元素出发，为大家详细介绍本文的主角二氧化钒材料啦。智能材料明日之星：二氧化钒材料
1. 变色元素：钒
钒是化学元素周期表中的第23号元素，元素符号 V，最早是由瑞典科学家塞夫斯托姆（N.G.Sefstrom）博士于1831年在研究当地铁矿石的时候发现的。由于这种新元素的化合物颜色众多，五颜六色，于是他就用北欧神话中女神凡娜迪丝（Vanadis）的名字给它起名为“Vanadium”。钒是一种银白色金属，熔点较高，在自然界中不存在游离态，大多以分散状态存在于岩石中，虽然含量相对较低，但分布广泛，储量可观，目前主要应用于钢铁、玻璃等行业，例如钒钢便是凭借其“刚韧并济”的性能在工业中大受宠爱。钒常见的化合价有+5价、+4价、+3价和+2价等，其盐类和氧化物的种类繁多，颜色也五彩斑斓。四价钒盐呈浅蓝色、三价钒盐呈绿色，二价钒盐常呈紫色，又如其氧化物中，五氧化二钒（V2O5）呈红色、二氧化钒（VO2）呈深蓝色等等。这些五彩缤纷的钒化合物，可被制成颜色艳丽的颜料，加入玻璃中制成彩色玻璃。而被称作是“化学面包”的五氧化二钒，则已成为化学工业中最佳的催化剂之一。总而言之，钒这种元素对于现代生产生活来说真的是非常重要。
图3 变色元素——钒（V）
2. 二氧化钒的智能“变身”特性
二氧化钒（VO2）作为钒元素众多化合物中看似平凡的一员，又有哪些不一样的故事呢？早在1959年，F.J. Morin在贝尔实验室首次观察到了VO2有一种神奇的“变身”属性——我们称之为相变特性。他发现VO2在被加热的过程中，随着温度的升高，在某一温度范围内会从一种固体状态突然转变为另一种电学、光学和力学等物理性质完全不同的固体状态，也就是所谓的“相变”。在低温时，VO2是一种绝缘体具有不导电的性质，能够同时透过可见光和红外线；然而在超过临界温度时，VO2会瞬间“变身”为导体可以导电，而且此时可以阻挡红外线不会透过，并且还会发生一定程度的体积膨胀变化。这种“变身”属性简直就像是汽车人变身金刚一样，一旦“警觉”到温度的变化，便会切换“防御”与“攻击”状态，十分神奇。
图4 二氧化钒相变过程的示意图
智能材料的核心之一就在于能够对外界环境的刺激或激励做出响应，改变自身的结构和物理化学性质，并且这个过程还是可逆的。作为智能材料明日之星的二氧化钒，所拥有的奇妙相变特性可不仅仅限于对于温度变化的响应。随着研究的深入，科研人员发现二氧化钒可以在光、热、电、应力、磁等多种刺激条件下“变身”，这一特性使得二氧化钒具备了丰富的多场景的可“感知”功能。而除了电阻上发生的几个数量级的突变之外，伴随“变身”的过程，各类光学、热学、力学、磁学性质也会发生急剧的变化，例如红外光透射率、折射率、热导率、应力状态、磁化率等等。因此我们也可以说基于二氧化钒的智能材料具备着丰富的可“执行”功能，可以切换多种“武器”进行“作战”。由于有着广泛的激励源以及丰富的物理化学性质突变，使得二氧化钒材料在电子、军事以及日常生活等众多领域都具有巨大的应用潜力，下面我们就来介绍几类二氧化钒材料的“智能”应用。大显神通的二氧化钒
1. 冬暖夏凉：智能变色节能窗
自1985年“智能窗”（smart window）这一概念被提出以来，研究人员便希望通过窗户材料、结构等的设计，对室内温度进行有效管理，并由此减小能耗。实际上据统计，全球平均而言，人类建筑能耗约占社会总能耗的40%，贡献了约30%的温室气体排放量，因此建筑节能受到广泛关注。而窗户节能是建筑节能的关键环节，通过调节进入室内的太阳光能，即在冬季增加室内太阳光照射，夏季减少室内太阳光照射，便可有效地减少制冷取暖等空调系统能耗，达到智能控温与节能的目的。我们知道，进入室内的主要热量来源之一是太阳光。而太阳光辐射的能量中，有大约50%来自可见光区，也就是大家熟悉的由红橙黄绿蓝靛紫各个单色光所组成的白光，这部分可见光保证了室内的正常采光需求，因而并不是能耗控制的对象。而除此之外，还有约43%的太阳辐射能来自红外线，以及占辐射能总量约7%的紫外线。所以不难看出，对于室外光线进入室内的辐射能控制主要集中于太阳光中的红外线部分。在发展出的各式各样的节能窗技术中，热致变色智能窗——由于可以响应环境的温度自动调节室外太阳光中红外线的透过或反射情况，而不需要额外接通电源，成为一类十分有前景的技术。我们前面介绍过，二氧化钒可以智能地响应温度的变化，通过“变身”属性来自主决定是否允许红外线透过，是热致变色材料中的最有潜力的一类。因此，二氧化钒的这种特性能够帮助我们实现在冬天室内温度相对较低时自动智能调节室外的高热量透射进入室内，使室内温度升高至适宜温度，而在夏天室内温度偏高时又可以智能地降低室外红外线的透过量，阻挡过多的热量进入室内，从而达到智能控温的目的。并且这一方式还可以节省空调的制冷和制暖耗能，可谓一举两得呢！无论是冬夏还是昼夜的更替，都可以智能地实现全天候调温，这样奇妙舒适的房间谁不想住一住呢。
图5 二氧化钒智能窗示意图
不过，智能窗的发展也不是那样地理想化，依然存在着一些技术瓶颈，从实验室研发到产业化生产还需要克服一些问题。首先是关于临界温度，我们知道VO2进行“变身”的临界温度是在68℃附近，这对于现实应用来说显然有些困难，必须将这一温控开关温度降低到室温的水平，这一问题材料科学家们通过在VO2中适当掺入钨（W）、钼（Mo）、钛（Ti）、氟（F）等元素（称为“掺杂”）可以得到一定的解决，目前已经可以通过这种方法使得临界温度降低至25℃-32℃。其次，为了保证室内的正常采光，对于可见光的透过率一定要有保证，研究人员发现，通过结构工程对材料在微纳米尺度（10-9m-10-6m）设计不同的微结构，可以提升可见光的透过率，常见的设计有多孔结构、纳米复合结构、仿生结构、格栅结构和多层结构等。尽管如此，在智能窗研发的过程中，这些重要参数之间也存在着相互制约的关系，比如掺杂虽然可以降低临界温度，但是却同时会降低可见光透过率。因此如何寻找更适合的掺杂元素、如何有效地进行复合掺杂、设计怎样的新型微纳结构、甚至寻找其他新的思路来平衡不同的参数等等都是研究人员需要继续克服的问题，可见在科学技术领域，把一个“金点子”实用化是多么地不容易！但我们依然坚信在不远的将来，一个既智能节能、符合大众审美、性能又稳定的智能窗一定会出现在日常的生活中啦。
图6 二氧化钒智能窗薄膜材料的不同微纳结构设计
2. 以守为攻：二氧化钒助力智能作战
除了在民用的日常生活领域外，二氧化钒的智能相变特性同样也可以在军事领域发挥巨大用途。下面，我们就来介绍一下两类军事领域的奇妙用途：智能激光防护: 漫威电影里美国队长的盾牌十分著名，其中很重要的一个功能便是可以阻挡一切迎面而来的无论是枪炮子弹还是激光，可以吸收能量甚至还可以反弹。这样的武器当然现实当中还不存在，不过在现代军事领域当中，“激光防护”这样的概念却也不算是新名词了。随着激光技术变得越来越成熟和先进，由高强度激光制成的激光致盲武器已经在许多发达国家成功研制并且装备部队，比如装备机载、车载，还有手持激光致盲武器等等，这些都可以使得一公里之外的人眼或光探测器瞬间致盲。因此，寻找到合适的用于激光防护领域的新材料，保护作战人员及军用装备，有效对抗激光致盲的攻击便是一个很现实的需要。二氧化钒材料可以响应光的变化进行“变身”，若将VO2薄膜用于红外制导的导弹探测器的激光防护器件当中。在未“变身”时，目标的红外辐射光可以透过VO2薄膜达到探测器, 使得导弹制导可以正常工作；一旦遭到敌方中红外强激光试图致盲我方的红外探测器时, VO2便可以在十亿分之一秒内立即做出响应“变身”，红外光透过率瞬间降低，从而可以有效地起到智能激光防护的作用，有效保护军事装备的安全。
图7 可以瞬时响应反射强激光的智能盾牌（概念示意图）
智能红外隐身：我们知道，一切人和物其实都是一个个热辐射源，每时每刻都在向外辐射热量，在常温环境下主要是辐射不可见的红外光。因此在军事作战当中，如何能够像变色龙具有对可见光的伪装能力一样，使热目标能够有机地融入到环境当中，避免被敌对方的热红外探测系统探测到，便是热隐身技术所要面临的挑战。由于热成像仪只能探测并可视化目标的热辐射情况，但往往不能直接反映这些目标的真实温度，因此最古老的“隐身”办法，就是通过直接制冷的方式，便可以将温度较高的目标物隐藏于温度相对较低的环境背景中。但是大家仔细一想便会发现，这并不是一个有效的方法，原因就在于制冷设备本身所产生的热量同样会增加目标物的暴露概率。于是，大家便十分渴望能够找到更加智能的解决方案。研究人员关注到了二氧化钒这种神奇的材料，开发出了基于二氧化钒、石墨烯以及碳纳米管薄膜材料相结合的复合薄膜材料，通过简单的电流加热方式，当达到一定温度时，由于二氧化钒材料受到温度变化的刺激，便可以智能地变换形态，将热辐射迅速降低，从而达到主动热隐身的目的；并且这种材料还具有很好的力学柔性特点，可以适应多种不规则结构目标，是不是像极了哈利波特的隐身斗篷呢！
图6（a-d）红外隐身示意图（e-f）二氧化钒智能红外隐身薄膜
3. 师法自然：智能驱动与仿生手掌
大自然这部百科全书，从来都是人类思考问题、发明创造的智慧源泉。在漫长的自然演化过程中，无数美妙绝伦的自然景观、生物与生态奇迹被创造了出来。在中国云南贵州一带的偏远山区中，生长着一种名为“跳舞草”的植物：在风和日丽的晴天，这种舞草的两片侧叶会来回不停地摆动，时而开合，时而闭拢，时而转动，翩翩起舞，妙不可言；而每当日落西山之后，叶子便会垂落下去，静静睡去。研究表明，这种舞动的奥秘与太阳光线、温度的变化密不可分。如何将这种自然现象运用到微型的智能机器人的设计当中呢？从材料科学家的视角来看，首先就是要设计出能够对环境温度、光线变化产生形变和驱动响应的智能材料，二氧化钒材料就是这其中重要的候选者之一。前面我们曾介绍过，二氧化钒在“变身”前后可以发生体积的膨胀变化，从微观上看，这是源于它自身的结构变化，打个比方，在演唱会现场，人们站在原地时并不会感觉特别拥挤，我们把静止的现场称为一种“状态”，当台上的广播通知宣布演唱会结束有序离场时，突然变到了另一种“状态”，在人海中的你一定会或多或少感受到一种被潮水裹挟和推来推去的力，这种力从宏观上也会体现在人群轮廓的变化。于是，有研究人员充分利用了二氧化钒材料相变前后的形变特点，并运用仿生的思想，设计出了微型智能仿生手掌和具有温度自反馈功能的智能驱动器。它们都具有微米级的尺寸，能够响应温度的变化，产生形状的智能响应，成功实现“张”与“合”。而这种功能正是未来微型的智能机器人所需要具备的条件之一，在靶向药物递送、温度传感等领域具有广阔的应用潜力。
图7（a）跳舞草（b）微型“智能”仿生手掌（c）温度自反馈智能驱动器
智能未来材料先行
随着5G时代的来临，智慧城市、智慧行业、智慧生活等新型业态逐步发展起来。在万物互联的时代愿景背后，除了有人工智能、物联网等信息技术的蓬勃发展外，也少不了新材料的基础支持，智能材料当然是这时代航行中的弄潮儿。当然，我们既看到了诸如智能窗等十分接近产业化的发展应用，也同样意识到，想要把智能驱动与仿生手掌的新颖概念拓展到微纳机器人等复杂的系统应用体系中，还有相当漫长的研发之路要走。相信经过不懈的努力，智能材料一定会给予我们更多的惊喜，让奇迹变为现实。
[1] Cui Y, Ke Y, Liu C, et al. Thermochromic VO2 forEnergy-Efficient Smart Windows[J]. Joule, 2018, 2(9): 1707–1746.[2] Xiao L, Ma H, Liu J, et al. Fast Adaptive Thermal Camouflage Based on FlexibleVO2/Graphene/CNT Thin Films[J]. Nano Letters, 2015, 15(12):8365.[3] Tian Z,Xu B, Hsu B, et al. Reconfigurable Vanadium Dioxide Nanomembranes and Microtubes with Controllable Phase Transition Temperatures[J]. Nano Letters, 2018: acs. nanolett. 8b00483.[4]MoghimiM J, Lin G, Jiang H. Broadband and Ultrathin Infrared Stealth Sheets[J]. Advanced Engineering Materials, 2018, 20(11): 1800038.[5]LiuK, Cheng C, Cheng Z,et al. Giant-Amplitude, High-Work Density Microactuatorswith Phase Transition Activated Nanolayer Bimorphs[J]. Nano Letters, 2012,12(12): 6302–6308.
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我国高新技术产业发展面临的“卡脖子”问题，很多就卡在材料方面。新材料产业是制造强国的基础，是高新技术产业发展的基石和先导。为了普及材料知识，吸引青少年投身于材料研究，促使我国关键材料“卡脖子”问题尽快解决，中国材料研究学会特意组织了一批院士和材料专家，甄选部分对我国发展至关重要的前沿新材料进行介绍。本书涵盖了18种最新的前沿新材料，主要包括信息智能仿生材料、纳米材料、医用材料以及新能源和环境材料。所选内容既有我国已经取得的一批革命性技术成果，也有国际前沿材料、先进材料的研究成果，助力推动我国材料研究和产业快速发展。每一种材料的科普内容独立成文，深入浅出地阐释了新材料的源起、范畴、定义和应用领域，并配有引人入胜的小故事和原创图片，让广大读者特别是中小学生更好地学习和了解前沿新材料。
目 录
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