新鍊金術 - 彭博社

這並不完全是《終結者2》，其“模仿聚合物”反派在追蹤無辜受害者時會融化並重新組合。但在伊利諾伊州埃文斯頓的一間實驗室裏，這種好萊塢幻想的一個版本——雖然更為謙遜，但卻是真實的——正在被實現。使用新型建模軟件，結合了材料研究這一快速發展的領域的豐富知識，西北大學教授格雷戈裏·B·奧爾森正在逐個原子地設計全新的物質。奧爾森和一組學生正在全力追蹤定製陶瓷超導體和超高強度塑料，但合金是他們的首要任務。他們已經取得了一項成功，一種由五種金屬的原子混合而成的合金，其精確度如此之高，以至於通過反覆試驗找到它可能需要“幾億次”嘗試。最終得到的超強鋼正在被測試用於航天飛機發動機渦輪泵的軸承，這些軸承現在必須在每次飛行後重建。

材料一直影響着生命的基本結構。石器時代、青銅時代和鐵器時代標誌着人類將材料製成新工具的關鍵時期，這大大改善了他們的生活。因此，材料科學的最新——也是最廣泛的——革命也是如此。利用超精確的新技術，研究人員正在探測比病毒的亞微觀領域更微小的世界。就像窺探一個特別喧鬧派對的偷窺者，他們正在窺視原子的世界，並揭示它們如何相互作用的秘密。然後，利用主要為應對微電子學快速縮小的尺寸而開發的技術，現代鍊金術士正在重新排列分子——甚至原子——從零開始組裝新物質。

通常，這種魔法的最商業化結果，如奧爾森的鋼鐵，都是現有材料的衍生物。但研究人員也在探索未知。他們正在製造“氣凝膠”，這種輕盈的硅制混合物遠遠超越了最佳絕緣材料；陶瓷柔韌到可以用於汽車或噴氣發動機；以及嵌入了人工“神經”和“肌肉”的複合材料，使它們能夠幾乎像生物一樣對壓力做出反應。考慮到這些物質，科學家們夢想着既大又輕、燃油高效的汽車，以及輕到足以飛到太空邊緣並在幾個小時內跨越太平洋的客機。在3000億美元的電子產業中，新材料正在將芯片和計算機的速度推向物理極限。這些進展，最終將導致手持超級計算機等產品的問世，哈里·F·洛克伍德（Harry F. Lockwood），GTE實驗室公司先進組件技術中心的主任表示，這將“改變我們的生活方式”。

這種奇特材料的前景應該會促進一些人所説的最近被忽視的科學。自1980年以來，聯邦非國防材料研發的支持在實際美元中下降了17%。專家們補充説，行業支持也急劇下降，而德國和日本等國則在該領域投入資金。1989年，國家研究委員會的一份報告發現，美國在金屬和陶瓷方面的競爭地位相較於日本正在下降，而德國和英國已經趕上。材料研究學會（Materials Research Society）表示，為了保持競爭力，美國政府和行業需要在目前每年花費30億美元的材料研發基礎上再增加12.5億美元。

面對在1480億美元的全球市場中失去市場份額的威脅，通常採取放任態度的布什政府似乎異常關注。今年四月，國家關鍵材料委員會的代理執行主任大衞·L·霍伯宣佈了一項政府材料研究倡議。與霍伯的團隊相關聯的白宮科學與技術政策辦公室希望為材料研究增加“數億新資金和重新編制的資金”，可能會在1993年的聯邦預算中體現。霍伯還希望明確研發優先事項：“我們並不清楚我們是否充分利用了現有資金，”他説。

他試圖重新點燃一場可以追溯到1960年代的運動，當時研究人員開始大規模生產自然界所忽視的分子。結果是合成材料的爆炸性增長，徹底改變了包裝、建築和紡織等行業。如今，運動員使用碳纖維增強的高爾夫球杆、能夠將汗水從身體上吸走的聚丙烯運動服，以及“透氣”的防水夾克。科學家們對聚合物的化學結構——一系列重複分子的鏈條——如何決定其功能瞭解得如此透徹，以至於研究人員可以坐在電腦前，組合出具有所需特性的材料。這意味着“成品的開發週期不再是10年”，而是“我們將在3到5年內看到成果，”克利夫蘭B.F.古德里奇公司的Geon部門市場副總裁唐納德·P·克內赫特斯説。

最顯著的進展發生在電子領域。為了滿足對存儲和處理數據性能提升的日益需求，研究人員比以往更加努力地研究縮小硅電路的技術和設備。最新的工具之一是掃描隧道顯微鏡，這是一種能夠揭示表面上單個原子位置的極其精確信息的機器。將STM與計算機建模的進展結合起來，“我們可以模擬分子如何在基底上排列，而無需進行耗時的試探性實驗，”位於芝加哥附近的阿貢國家實驗室物理科學副主任弗蘭克·弗拉丁説。現在，科學家們正在利用這些相同的工具和見解來製造材料，以改善從飛機到橋樑再到人工身體部件的各個方面。

工程材料 這些鍊金術士追求的目標比古老的梅林們少了一份貪婪，他們試圖將鉛變成黃金。在其最實際的形式中，新的鍊金術旨在設計更好的結構材料版本——那些滲透日常生活的金屬、複合材料和陶瓷。這個聽起來謙遜的努力，儘管如此，仍然可能產生巨大的財富。在十年內，僅日本工業就預計將使用價值900億美元的此類產品。

陶瓷將是最熱銷的材料之一。這些非金屬材料超強，能夠承受極端高温，承諾提供更高温、更高效的發動機，這對於噴氣式飛機和低污染汽車是必需的。但陶瓷是脆性的，這限制了它們的使用。現在，通過添加少量的聚合物或纖維“須”，研究人員正在開發出更具延展性的品種。“如果你能消除它們的缺陷，就可以將陶瓷應用於廣泛的領域，”阿貢國家實驗室的理查德·W·西格爾説。這可能包括從更輕、更耐用的發動機部件到柔性超導線和更堅固的切削工具。

金屬合金也在進行改造。例如，一個為期15年、價值60億美元的計劃，由美國國防機構、NASA和七家噴氣發動機製造商共同資助，旨在到2003年將飛機發動機的推力翻倍，而不增加其體積或重量。“如今的鈦合金和鎳合金沒有必要的強度或温度能力，而且它們太重，”位於俄亥俄州代頓的懷特·帕特森空軍基地項目經理詹姆斯·S·佩蒂説。但通過使用新合金，佩蒂的團隊正在接近其第一步目標，即發動機推力與重量比提高30%，以及燃油效率提高20%。這些改進將體現在由普拉特·惠特尼公司製造的新隱形戰鬥機的發動機中。

一個障礙是找到能夠承受高達800華氏度的關鍵發動機部件材料，這個温度是進入發動機的氧氣與燃料結合的臨界點，從而提高效率。傳統的噴氣發動機金屬鈦在這個温度下會燃燒，佩蒂説。因此，他的研究人員正在尋找所謂的金屬間化合物——通過在同一晶體結構中交織不同原子而超越化學結合的混合物。由鈦和鋁或鎳和鋁製成的金屬間化合物超輕，並且可以承受高達1400華氏度的温度。佩蒂補充説，向這些材料中添加陶瓷纖維會形成重量上是當前噴氣發動機所用合金的三倍強度的複合材料。

原子級材料 改進的結構材料可能是新研究中最實用的產品。但最激進的新鍊金術士們並不滿足於僅僅變化，他們正在與創造調情——開發全新的材料類別。這些材料將促進電子學和其他領域的重大進展。例如，阿貢的西格爾正在將稱為晶粒的原子簇形成超密陶瓷或金屬。在這些“納米相材料”中，每個晶體的直徑小於100納米，或十億分之一米。這比大多數病毒還要小。

大多數金屬或陶瓷的單個晶粒由數百萬或數十億個原子組成。但構成納米相材料的晶粒僅包含幾千個原子。在這些晶粒在壓力下被壓縮成固體材料後，它們表現出顯著的特性。西格爾的超密陶瓷可以像塑料一樣彎曲和成型，並且可以擠出或形成最終形狀，而不會像陶瓷那樣通常出現收縮。銅或鈀等金屬的納米相版本比其大晶粒對應物強五倍。西格爾還在製作納米相複合材料——將微小的陶瓷晶體與金屬結合——並且他正在研究形成不尋常的金屬合金。“有令人驚歎的機會，”他説。

科學家們不確定納米相材料為何會如此表現，但西格爾表示，晶粒的大小起着重要作用。例如，納米相金屬之所以如此堅固，是因為在緊密結合的晶粒之間產生裂紋需要大量能量。出於研究目的，西格爾的團隊通常只製作硬幣大小的納米相材料圓盤。但他説：“在這個過程中沒有什麼可以阻止它規模化。”事實上，在1989年末，西格爾幫助創辦了一家公司來商業化阿貢的工作。該公司名為納米相技術公司，每小時生產幾克材料。“我懷疑在一年內我們將達到每小時公斤級的階段，”他説。納米相材料的首個用途將是在電子產品中——陶瓷芯片和光學設備——以及製造催化劑以推動化學反應。

與此同時，日本人正在積極追蹤一種稱為功能梯度材料（FGMs）的設計化合物。這些通常不兼容材料的組合——金屬和陶瓷——在大約1000度的温度範圍內保持穩定，並能承受超過3000華氏度的高温。這使得它們在從航天飛機內襯到為核電廠製造渦輪葉片等方面都非常有用。研究人員已經知道，金屬和陶瓷的“夾心”可以提供異常的耐熱性和彈性。但這種夾心通常在熱或機械應力下會剝離。

為了避免這種情況，日本人使用化學氣相沉積和顆粒注入等技術，逐層鋪設多個超薄層，逐漸將材料從100%金屬轉變為50-50混合物，再到100%陶瓷。這消除了陶瓷結束和金屬開始的尖鋭邊界。因此，新材料保持在一起。日本科學技術廳在1986年首次提出FGMs的概念作為一項基礎研究項目。已經，鋼鐵製造商NKK和日本鋼鐵公司以及東芝陶瓷公司都接受了這一挑戰。“如果這是個好主意，資金就會流向那個方向，”科學技術廳材料科學與技術辦公室副主任石井俊和説。

智能材料 儘管這一切聽起來令人印象深刻，但對於一些工程師來説，這種新鍊金術暗示着形而上學。他們想要賦予材料最終的特性：一種粗糙的智能，使材料具備人工“神經”和“肌肉”。因為這些改良的陶瓷和複合材料能夠感知環境的變化並相應地做出反應，所以它們被稱為智能材料。

例如，在密歇根州立大學，Mukesh V. Gandhi 和 Brian Thompson 正在研究一種自適應直升機旋翼，它能夠感知湍流並相應地變得更堅硬。空軍正在資助一種用於飛機機翼前緣的智能陶瓷的研究：它會根據變化的條件調整其形狀，以實現最大升力，從而提高燃油效率和安全性。而賓夕法尼亞州立大學的固態科學教授 Robert E. Newnham 正在開發一種“隱形”材料，用於潛艇船體，它能夠彎曲以改變形狀並減少水下湍流。這將幫助潛艇逃避水下監聽系統的探測。

使材料“智能”的一個關鍵是將非機械材料嵌入其中，這些材料在不使用活動部件的情況下改變其形狀或物理狀態。電流變流體就是這樣一種材料家族：它們在施加小電流後毫秒內從液體變為固體。通過將這些流體散佈在陶瓷中，Gandhi 和 Thompson 可以減緩旋翼的振動。外部的傳感器檢測到損傷或湍流，然後發送信號使旋翼葉片變得更堅硬。

在這一概念的變體中，弗吉尼亞理工學院智能材料系統與結構中心的主任 Craig A. Rogers 向用於從飛機到網球拍的石墨增強複合材料中添加鎳鈦合金線。鎳鈦合金是一種所謂的記憶合金家族之一——它們在加熱時會記住其形狀。Rogers 説，通常情況下，石墨增強環氧樹脂在温度超過 300 華氏度時會失去一半的剛度——在高性能飛機機翼中，這並不是一個令人愉快的前景。但“有了記憶纖維，石墨環氧樹脂在高温下的剛度會增加，”他説。當加熱時，如在飛行中，纖維試圖恢復到它們記住的形狀，為材料增加能量。最終的複合材料在高温下的剛度是目前用於飛機的材料的十倍以上。

仿生學 試圖模仿生命的努力也是仿生學的基礎，這可能是最具革命性的材料新方法。為此，科學家們從自然中尋找靈感，研究各種材料，如鮑魚殼、鯊魚皮和昆蟲外骨骼。他們的出發點是母自然提供了最好的模型：“據我們所知，她的失敗已經滅絕，”空軍科學研究辦公室（AFOSR）副主任喬治·A·哈里託斯中校説。“我們正在模仿她所能提供的最佳。”

例如，華盛頓大學材料科學與工程教授伊爾漢·A·阿斯卡伊對鮑魚的殼產生了興趣——一種由碳酸鈣或普通石灰石製成的扁平耳形軟體動物殼，即使300磅的海灘拾荒者踩上去也很難破裂。當在電子顯微鏡下觀察時，這個殼幾乎可以説是陶瓷複合材料的完美模仿。阿斯卡伊使用更高科技的材料，但以鮑魚作為分子排列的模型，合成了一種抗衝擊的坦克裝甲，其強度是目前使用的人造陶瓷的兩倍。美國陸軍正在加利福尼亞州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室測試他的裝甲。

AFOSR研究員弗雷德·L·赫德伯格認為，仿生學將使擬議的國家航空航天飛機受益，該飛機將在從紐約到東京的兩小時旅程中進入低軌道。它將承載比航天飛機更大的負載，但為了達到正確的速度和高度，它必須更輕。這就是仿生學的用武之地，赫德伯格説，他研究了角甲蟲的強而輕的外骨骼。“當自然為昆蟲構建保護塗層時，它還允許動物通過塗層呼吸，提供絕緣，並提供各種傳感裝置。”一種能夠去除熱量和感知損傷的多功能皮膚對航空航天飛機特別有用。

外骨骼也很堅韌。“它被設計成在相對的情況下吸收巨大的能量，直到它崩潰，”哈里託斯説。這樣的特性很重要，因為在飛機機翼中使用複合材料的最大障礙之一是擔心複合材料在遭受有限損傷後會發生災難性故障。在甲蟲身上，自然設計了損傷控制。傳統的複合材料用石墨纖維加固——都是圓形的，且直徑相同。自然的複合材料則複雜得多，由交織的纖維構成，這些纖維本身往往也是複合材料。而且這些纖維的形狀從圓形到極端橢圓形各不相同。“這種複雜的結構是人類剛剛開始實驗的，”哈里託斯説。“但它是未來的趨勢。”

隨着實驗室中新材料數量的激增，目前尚不清楚所有的用途可能是什麼。以碳60為例——一種在兩年前大量合成的新型碳。這種物質的60個碳原子以類似於R·巴克敏斯特·富勒的幾何穹頂的足球形狀排列。被稱為“巴基球”，它們可能用於潤滑劑、高温超導體，或作為新塑料的基礎。去年在勞倫斯·利弗莫爾開發的氣凝膠具有巨大的潛力。它們常被稱為“凍結的煙霧”，在世界上已知最輕的固體之一中具有優越的絕緣能力。利弗莫爾的研究人員設想它們可以取代泡沫絕緣材料，而泡沫絕緣材料的製造與臭氧層的破壞有關。一家瑞典公司Airglass正在努力引起人們對在絕緣窗户中使用它們的興趣。

這些和其他發現可能標誌着90年代是材料科學的黃金時代。隨着新的聯邦支持，美國可能會重新獲得一些優勢。但阿貢實驗室的弗拉丁表示，資金只是方程式的一部分。在日本，企業而非學術或政府實驗室形成了尖端：日本材料工作的資金中近75%來自於行業，而美國只有一半。

簡而言之，挑戰在於設想來自有前景技術的產品。而研究人員表示，這一直是美國工業的絆腳石。“即使我們認為我們有一些非常熱門的東西，吸引公司興趣也很困難，”弗拉丁説。“如果有任何日本研究人員路過，他們會立刻對此感興趣。”Airglass的創始人安德斯·韋斯特貝里表示，他在尋找700萬美元用於商業規模氣凝膠工廠時接觸的美國和歐洲公司都持謹慎態度，擔心盈利需要多長時間。但四五家日本公司對此感興趣。而且“當我告訴他們需要幾年才能看到任何回報時，他們説沒問題。”

最終，設計材料研究的影響將在我們周圍的世界中顯著顯現。更快的火車、更堅固的建築和更逼真的假肢都將帶有現代鍊金術士的印記。新材料還將在解決一些社會最緊迫的問題中發揮重要作用，從清理環境到減少能源消耗。總的來説，這比將鉛轉化為黃金更好的目標。

仿生學 大自然為一些最有趣的新材料提供了分子結構。鮑魚殼是一個很好的例子，它是一種主要由簡單材料——石灰石製成的陶瓷複合材料。它相對較高的強度來自於其分子排列的獨特方式，呈磚石結構，自然聚合物作為石灰石“磚塊”之間的膠水。研究人員使用更高科技的材料，但以鮑魚為模型，合成了一種抗衝擊的坦克裝甲，其強度是任何人造陶瓷的兩倍，並且比今天的裝甲更有效。

其他研究人員正在研究昆蟲外骨骼和鯊魚皮作為先進飛機材料的模型。這個想法是，通過進化，自然材料已經通過了重要的時間考驗

工程材料

這些是對已經在航空航天、汽車和建築等多種行業中大量使用的金屬、塑料、複合材料和陶瓷的變體。現在，科學家們正在將高性能特性，如增強的強度和剛度、更輕的重量以及更高的温度抵抗力，工程化地融入這些材料中。一些例子包括超強、耐腐蝕的合金和可以模製成發動機部件的柔性陶瓷。改進的結構材料在短期內具有最大的利潤潛力

原子級材料

利用在製造更小、更快的半導體競賽中開發的技術，科學家們正在將原子重新排列成新型物質。通過分層不同元素的薄膜——有些僅有一兩個原子厚——研究人員可以設計出超導性或高強度。他們還在研究所謂的納米相材料，這些材料由僅包含幾千個原子的顆粒組成。其結果包括高強度金屬和可塑性陶瓷

智能材料

通常是金屬、陶瓷或複合材料，這些材料嵌入了傳感器和執行器，使它們具備某些生物特徵。它們可以感知周圍環境的變化並作出響應。例如，在汽車中，研究人員已經開發出智能懸掛系統，可以減震。他們還在研究裝有傳感器的智能橋樑，可以在梁即將失效時提醒工程師，以及在湍流中會變硬的直升機旋翼。軍方設想智能潛艇船體可以改變其聲學特性，以避免被敵方聲納探測