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材料的進步在很大程度上帶領(lǐng)著科技的進步，對材料的認識也彰顯了人類自身對于世界的認知程度。早在文藝復(fù)興時期，近代科學(xué)家就已經(jīng)開始了科學(xué)的研究探索化學(xué)合成和加工新的材料，從塑料到今天的石墨烯和碳納米管，對材料的認識和發(fā)現(xiàn)貫穿著整個近現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的歷史。
當(dāng)前，即便由石墨烯及其衍生物帶來的種種技術(shù)創(chuàng)新讓我們已經(jīng)窺見被顛覆的明天世界，但研究仍將繼續(xù)。不可避免的是，其他材料也將被相繼發(fā)現(xiàn)，為人們展現(xiàn)目前難以想象的更加遠大的技術(shù)前景。在這些備選項里，可編程材料是極其重要的一個選擇。
傳統(tǒng)材料和可編程材料
可編程材料，簡單來說，就是可以通過外部信號的應(yīng)用來改變形狀或行為，而這種信號可能來自電場、外部施加的壓力，或者其他局部性質(zhì)的操控。
基于可編程材料而發(fā)展的可編程材料技術(shù)，就是可以向材料傳導(dǎo)或者輸入的數(shù)字電子信號，甚至可以是腦電波經(jīng)過編譯之后的信號，以及熱信號和光信號等，材料根據(jù)輸入的特定信號而被誘導(dǎo)作用，從而定向、有序地改變分子間的排布和分子間結(jié)構(gòu)，甚至是破壞固有分子形態(tài)，產(chǎn)生超出原本屬性的物理表現(xiàn)。
這跟傳統(tǒng)的材料制備和合成工藝有著根本上的區(qū)別，傳統(tǒng)的大規(guī)模材料制備工業(yè)中，只能粗糙地，不能精確地制造出所需要的部件，工藝過程中不可避免地會讓零件或者材料產(chǎn)生缺陷和變形或者功能和性質(zhì)上的偏差，從而難以適應(yīng)未來越來越嚴格的精細和高度定向的材料設(shè)計要求。
而可編程這個概念，則將計算機語言精細功能化、模塊化、智能化的基礎(chǔ)特征融入功能材料設(shè)計與制備工藝中，通過數(shù)控終端用自動化、智能化的匯編語言來實現(xiàn)對材料的進行定向地精確地光誘導(dǎo)、熱處理、表面化學(xué)合成、修飾、刻蝕、電磁激發(fā)等各種物理化學(xué)處理。
以我們?nèi)耸忠徊康闹悄苁謾C為例，如果我們想要在智能手機或平板電腦上閱讀一些新聞，要想找到閱讀新聞的應(yīng)用程序并打開這個程序，我們就需要用到觸摸屏。觸摸屏是一種分層堆積的透明材料，與電子設(shè)備中的視覺顯示和電子控制系統(tǒng)集成在一起。
當(dāng)受到壓力時，屏幕會以預(yù)編的方式進行響應(yīng)，與設(shè)備的電子控制系統(tǒng)連通，從而得到所需的結(jié)果——當(dāng)屏幕被觸碰時，它的電性質(zhì)將發(fā)生改變。一些觸摸屏?xí)眠@種變化實現(xiàn)互動，并控制設(shè)備的響應(yīng)。雖然壓力與電性質(zhì)在物理學(xué)上有很大差別，但它們產(chǎn)生的功能是一樣的。此類預(yù)編的響應(yīng)結(jié)果包括打開或關(guān)閉設(shè)備、打開或關(guān)閉應(yīng)用程序輸人文本等。
可編程材料的優(yōu)勢是顯而易見的。一方面，可編程材料將實現(xiàn)材料的精確化。當(dāng)前，由于科技的限制，許多要求在微觀尺度下進行加工或者制備功能材料的工藝遠遠達不到理論的要求，更不要說是工藝步驟中產(chǎn)生的絕對誤差，而可編程材料無論是表面物理化學(xué)處理，還是微納米結(jié)構(gòu)材料的加工或合成，都能夠?qū)崿F(xiàn)一種更加微小的、集成化的精細加工，在形狀，物理化學(xué)性質(zhì)等方面對局部都做到近乎理想情況的水平；另外，由于計算機語言量化的特性，決定了可編程材料在加工制備的過程基本不會有無意義的消耗。
另一方面，作為處于數(shù)字化工藝生產(chǎn)的終端的材料本身，在傳統(tǒng)工藝上步驟分離的加工方式在可編程材料上將像現(xiàn)代硅基半導(dǎo)體芯片一樣進行集成化，這種集成化不僅僅只是在將多步驟的工藝融合到一體一步的地步，并且不同化學(xué)物理的加工處理方式上也將統(tǒng)一到同一個基體內(nèi)，連續(xù)化的工藝將減少產(chǎn)品生產(chǎn)的不可預(yù)計的誤差產(chǎn)生。
另外，由于未來計算機語言將具有明顯學(xué)習(xí)特征，可編程材料作為處理命令的一部分也將服從系統(tǒng)的智能特性，能夠應(yīng)對更加復(fù)雜情況做出正確選擇，另外智能化的推進也將大大增強可編程材料自我修復(fù)和彌補的功能。
可編程材料臨近
當(dāng)前，可編程材料已經(jīng)悄然進入我們的生活。
鎳鈦諾是一種由鎳和鈦組成的合金，它可以被塑造成某種形狀，然后在遇熱時自行改變形狀，基于這種特性，鎳鈦諾也被稱為記憶合金。
鎳鈦諾可以用于制造電線，在各種消費品和工業(yè)品中都有所應(yīng)用。比如，牙套的弓絲，人體的熱量會給鎳鈦諾制成的弓絲加熱，導(dǎo)致弓絲收縮繼而施加必要的力，以矯正牙齒的位置；心臟手術(shù)中植入的支架；恒溫控制器，用于需要讓形狀隨溫度發(fā)生變化的地方；以及控制太空系統(tǒng)穩(wěn)定形態(tài)設(shè)備。事實上，自從鎳鈦諾在 1959年被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家?guī)缀踉诿磕甓寄馨l(fā)現(xiàn)新的用途。
顯然，擁有超強形狀記憶功能的材料將在日常生活中發(fā)揮非常實用的功能。比如，在停車場撞彎保險杠時使用這種材料修補汽車的輕微損壞，不難想象，汽車保險杠或側(cè)板所采用的材料，平時呈現(xiàn)的是某一種形狀，但它們在加熱或暴露在特定波長的光線下時，又會呈現(xiàn)出另一種形狀。技術(shù)人員也許只需將保險杠置于精準調(diào)校的“汽車修理燈”下，它就能自動恢復(fù)到原狀。這樣，人們就無需為汽車提供其他昂貴的修理服務(wù)或更換配件。
這項技術(shù)同樣適用于飛機，使之隨著飛行環(huán)境的改變不斷調(diào)整形狀，并依據(jù)當(dāng)?shù)貤l件優(yōu)化性能。大多數(shù)運輸工具都只能保持一種固定形態(tài)，但如果運輸工具可以根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件巧妙地改變形狀——比如，汽車、飛機或船只都能夠稍微變化外殼形態(tài)，就可以提高幾個百分點的燃油效率，就像職業(yè)自行車手在下坡時對騎行姿態(tài)做出細微調(diào)整，以便充分利用最后一點俯沖速度。
另外，姜-泰勒金屬也是最具代表性的可編程材料之一，姜-泰勒金屬可隨著環(huán)境的改變呈現(xiàn)出不同的電性質(zhì)。姜-泰勒金屬的名字來自姜-泰勒效應(yīng)，該效應(yīng)形容在低壓環(huán)境下，電子狀態(tài)下呈幾何排列的分子和離子能發(fā)生扭曲，這種新物質(zhì)狀態(tài)能讓科學(xué)家通過簡單施壓將絕緣體（不能導(dǎo)電）變?yōu)閷?dǎo)體。
曾有實驗嘗試將可編程材料與C60結(jié)合在一起。由60個碳原子構(gòu)成的巴克球在充入金屬銣之后，一旦承受壓力，就會變?yōu)樽闱蛐螤?，而在壓力減弱后又可恢復(fù)為正常的球形。想在單分子水平上控制任意數(shù)量的“開/關(guān)”系統(tǒng)，那樣的響應(yīng)性分子是成功的關(guān)鍵——要知道，“開/關(guān)”系統(tǒng)正是數(shù)宇革命的基礎(chǔ)。
不僅如此，其他材料所具有的 “開關(guān)” 潛力也逐漸顯現(xiàn)出來，索烴和輪烷是屬于機械互鎖結(jié)構(gòu)（MIMAs）的兩類納米材料，分別于 1983 年和 1991 年受到廣泛認可，并讓-皮埃爾·索瓦日（ Jean-Picrre Sauvage）和弗雷澤·斯托達特爵士（Sir FraserStoddart）憑借這兩種材料在“分子機器設(shè)計與合成”中的應(yīng)用，獲得2016 年諾貝爾化學(xué)獎。
索烴屬于機械互鎖結(jié)構(gòu)，看起來像是兩個相互鎖在一起的環(huán)。這種材料是由長長的分子鏈構(gòu)成的，這些分子鏈彎曲成環(huán)狀，首尾街接，形成永久性的閉合環(huán)。環(huán)與環(huán)之間也會相互吸引，不過，這種分子間的作用力較弱，近似于石墨烯薄片之間的作用力。這種分子間的作用力形成了所謂的超分子系統(tǒng)，而超分子系統(tǒng)不再僅僅由一個孤立的分子構(gòu)成。
輪烷則類似于一個啞鈴，手柄處圍繞著一個獨立的環(huán)。分子較粗大的部位構(gòu)成了啞鈴末端的“砝碼”，可以防止套環(huán)滑脫。套環(huán)和手柄之間發(fā)生強烈交互作用的地方稱為基點。在遇到適當(dāng)條件時，套環(huán)可在基點之間穿梭或跳躍。
經(jīng)過多年的實驗，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，他們可以預(yù)先設(shè)計出套環(huán)和手柄之間的引力，從而實現(xiàn)自動穿套。這意味著索烴和輪烷將成為可編程材料，另一種化學(xué)反應(yīng)將增加套環(huán)/手柄超分子系統(tǒng)的重量，從而困住套環(huán)，使其成為整個系統(tǒng)的一部分。
未來科技的“基建”
當(dāng)然，當(dāng)前的可編程材料的應(yīng)用還只停留在淺層，長遠來看，可編程材料將成為未來科技“基建”一般的存在，比如，在納米機器人的應(yīng)用中，可編程材料就將發(fā)揮不可替代的重要作用。
還是以索烴和輪烷為例，2005 年，荷蘭、英國與意大利聯(lián)合研究小組共同開發(fā)出一種納米機器，只需向它添加某種光線，科學(xué)家就能讓液體逆流所上。該研究小組制成一種輪烷，它的手柄有兩個固定基點，同時輪烷的一個砝碼將手柄與一個特制的斜面連接起來。
在常態(tài)下，液體會沿并斜面向下流動，原理也很簡單，就是重力的作用而已。研究人員發(fā)現(xiàn)，在正常情況下，經(jīng)輪烷改造的斜面同樣會讓液體向下流動。然而，當(dāng)他們利用一種特殊光線照射輪烷改良后的斜面時，液體便會違反重力作用，向上流動。究其原因，光線照向斜面時會被輪烷環(huán)吸收，從而賦予了輪烷環(huán)充足的能量，使其能夠從一個基點移動到另一個基點。當(dāng)輪烷環(huán)躍至第二個基點時，頂部的砝碼便會對液體產(chǎn)生排斥。
基于此，重新設(shè)置好光線位置后，研究人員就能夠使整個水滴沿晶片向上滾動。光源關(guān)閉之后，輪烷環(huán)將回到原始基點，液滴也將隨之沿品片向下滾動。
這意味著，量子級作用力經(jīng)過疊加便會在產(chǎn)生巨大的效應(yīng)。更重要的是，這種巨大效應(yīng)將會在包括納米機器人在內(nèi)的技術(shù)中產(chǎn)生真正的價值，比如，幫助分子向特定目標運動，通過注入物體實現(xiàn)無創(chuàng)精確手術(shù)等。理查德·費曼在 1959年題為《微觀世界有無垠的空間》的演講中便談到了微機器人在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，在當(dāng)時，這些應(yīng)用顯得非常遙遠且異想天開，而現(xiàn)在，人們已經(jīng)通過更深入的研究看到了這些應(yīng)用的未來和希望。
可編程材料另一項重要的應(yīng)用是在4D打印中的應(yīng)用。4D打印技術(shù)于2013年由麻省理工學(xué)院首次進行展示：將采用4D打印技術(shù)制作而成的聚合物鏈條置于水中，鏈條自動折疊形成預(yù)先設(shè)計的形狀。這種鏈條由兩種材料采用增材制造而成，一種在水中膨脹，另一種體積不變。遇水膨脹的部位壓迫其他部位產(chǎn)生形變，形成預(yù)定的形狀。
與3D打印技術(shù)通過各種方式將原材料如同疊“磚塊”一般逐層堆疊成形，具有高設(shè)計自由度、無需模具等優(yōu)點不同，4D打印采用經(jīng)特殊設(shè)計和制備的可編程材料，使這些“磚塊”能夠感知外界條件，隨之產(chǎn)生形狀、性能和功能的變化?？梢哉f，可編程材料的應(yīng)用正是4D打印實現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
實際上，4D打印技術(shù)的誕生就與可編程材料的研究密切相關(guān)。2007年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了“可編程物質(zhì)”項目研究，該項目旨開發(fā)出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉(zhuǎn)變成理想或有用形態(tài)的智能材料，實現(xiàn)根據(jù)需求在現(xiàn)場快速制造物資，并使軍事裝備能夠根據(jù)指令改變形狀。在未來，4D打印還將在多領(lǐng)域展現(xiàn)出其意義和魅力。
可以說，可編程材料的顛覆性并不比石墨烯或者碳納米管要小，可編程材料依然是下一場材料科學(xué)革命的重要組成部分，并且在社會生活中得到今天難以想像的應(yīng)用。（本文首發(fā)鈦媒體APP）
