新鍊金術：自愈材料如何改變世界 - 彭博社

如果終結者能做到，那麼他周圍的建築也能做到。Flickr/加里·奈特曾幾何時，鍊金術主導了我們對物質世界的理解。它既是科學又是神秘主義，其從業者實驗合金，尋找通用溶劑，並希望找到哲學家的石頭——一種能將任何接觸到的金屬變成黃金的物質。

如今，材料科學採用更嚴格的多學科方法來進行這種工程。材料科學家設計並發現我們認為熟悉的金屬、陶瓷和聚合物的非凡變體。最近，他們從人類身體自我修復的方式中汲取靈感，將這些機制轉化為能夠自我修復裂縫的瀝青、混凝土和金屬。

彭博社城市實驗室加利福尼亞的反超速法案可能成為交通安全的突破休斯頓附近的管道火災迫使居民撤離官員稱休斯頓地區的火災是由於SUV撞擊管道引起的倫敦市長計劃將繁忙的牛津街步行化自我修復或“智能”材料可能看起來像古老鍊金術的魔法，但它們確實有潛力改變我們的道路、建築和交通方式。

在熱量的作用下，鋼絲絨瀝青繼續存在

正如TripNet去年報道的， 美國超過四分之一的主要城市道路——州際公路、高速公路和其他幹道——的路面處於 不合格 狀態。這些滿是坑窪和撕裂的粗糙道路使得普通美國司機每年損失377美元——全國高達800億美元的運營和維修成本。而 最近的估計 顯示，美國土木工程師學會的數據顯示，腐朽的道路、橋樑和其他基礎設施的經濟損失合計每年從聯邦財政中消耗 $1290億。

顯然，我們需要混合更好的瀝青——更強的瀝青，更便宜的維修成本。

這正是埃裏克·施朗根所做的。通過將鋼絲絨與瀝青通常的卵石和瀝青混合，荷蘭代爾夫特大學的土木工程師成功創造了一種幾乎自我修復的路面材料。正如他所説，它在“外部的幫助下自我修復。”

在他的 TED演講視頻中，你可以看到施朗根博士在舞台上演示他的奇蹟瀝青：在一羣本科生面前，他用空手道劈將一塊瀝青劈成兩半。當他開始談論在瀝青上駕駛的美好時，他將這兩塊並排放在一個工業微波爐中。

這就是訣竅：是感應加熱修復了瀝青。微波爐加熱鋼絲絨，進而融化並混合周圍的粘性瀝青。去掉熱量，瀝青冷卻，修復瀝青。

但實際上將實驗室（或TED）中發生的事情應用到現實世界是另一回事。交通官員將從哪裏獲得巨大的微波爐？施朗根的實驗室開發了一種特殊的車輛，可以在道路上通過感應線圈。他估計，交通工作人員每四年左右需要運行一次該機器，以修復小損壞並防止坑洞，從而將特定道路的使用壽命延長約兩倍。荷蘭官員估計，這項技術（他們部分資助）每年可以為國家節省9000萬歐元。

這是 CNN 截圖 的感應單元在 Schlangen 的瀝青上滾動：

Schlangen 最初在混凝土領域工作，2008 年在獲得荷蘭政府的資助後開始研究瀝青。他描述了與他以前的材料相比，測試瀝青的相對容易。“測試混凝土要困難得多，”他説，“因為你不能僅僅做一座橋作為實驗並告訴人們在上面行駛。對於道路來説要簡單得多，因為如果不行，你只需將其拆除。”

Schlangen 的自愈瀝青仍處於測試階段；他現在已將其應用於荷蘭的五條道路。“到目前為止，它的效果很好，”他説。

填補混凝土裂縫的細菌

從我們房屋的基礎到橋樑和道路，混凝土是世界上最常見的建築材料。而且沒有熔化或冒煙的過程；只需將水、碎石和水泥混合，你就得到了很快會硬化的厚灰色漿料。

但混凝土並不總是看起來那麼堅固。例如，如果一座水泥橋出現裂縫，水進入後會破壞並攪動混凝土的材料，最終在一定程度上填補破損的空間。“從這個意義上説，它自然具有自癒合的特性，”波特蘭水泥協會的研究與技術服務副總裁 Steve Kosmatka 告訴我。“水使東西開始移動。”

但是，雖然水具有一些創可貼般的特性，但它的磨損效果大於癒合效果。它還可能腐蝕工程師通常嵌入混凝土中的鋼結構，以增強抗拉強度和加固。來自除冰產品的氯化物也可能嚴重破壞結構。

材料科學家們一直熱衷於開發一種在與水接觸時表現更好的混凝土。他們所研發的是一種部分活着的混凝土——裏面有孢子。孢子！

它的工作原理：混凝土製造商在混合物中加入一批細菌孢子，這些孢子被保護在微小的、透水的膠囊內。他們按計劃建造，混凝土凝固。施工後，孢子保持惰性，像冬眠的小熊，直到出現裂縫，水最終滲入。水一滲透到細菌膠囊中，孢子就像活物一樣，喜愛水，開始發芽並朝水源移動。在這個過程中，這些細菌自然產生方解石，作為一種生物水泥，填補混凝土中的裂縫。

綠色箭頭指向由細菌的方解石軌跡癒合的混凝土裂縫。TU Delft來自全球各地的研究人員——伊利諾伊大學、根特大學、卡迪夫大學，甚至是德爾夫特的Schlangen——正在研究基於細菌的自愈混凝土。但還有其他方法：一些工程師正在尋找利用對水滲透收縮的纖維，有效地將混凝土擠壓在一起的方法。還有一些人試圖在混凝土中嵌入一種血管網絡，將類似膠水的癒合化合物送到結構中的任何裂縫。

一種自我修復的混凝土將延長建築物和基礎設施的使用壽命，並可能帶來巨大的節省。根據 根特大學的估計，如果歐盟在橋樑、隧道和土壤支護牆中使用自我修復混凝土，可能每年節省1.2億歐元的維護成本。

更不用説更好的混凝土可能對環境產生的影響。水泥是混凝土的主要成分，其生產貢獻了 全球二氧化碳排放的5%。 更持久的混凝土可能意味着總體上需要更少的水泥。“任何時候一個結構能持續更長時間，這對整個社會都是一種改善，”科斯馬特卡説。“如果你有一條每15年就需要更換的道路，而另一條可以在沒有維護的情況下使用30年，那就是直接的碳節省。”

自我修復混凝土可能成為首選的環保建築材料，但現在説得還為時尚早；它仍在測試中。科斯馬特卡預測，這可能對建築商來説是一個昂貴的選擇，因此可能主要用於需要長期耐用性的項目。“不適合人行道或房子前面的道路，”他説。“但對於你希望使用一百年的橋樑來説。”

一種裂縫如此之大的金屬又重新結合在一起

去年，麻省理工學院的科學家們發現了一種機制，原則上可以在應力下閉合合金中的裂縫。

材料科學家和工程師邁克爾·德姆科維茨及其同事正在研究鎳的晶界破裂。晶界是構成金屬或合金結構的微小晶粒或晶體之間的分界。該團隊正在實驗對一塊部分破損的鎳施加不同程度的張力——也就是説，施加一種你認為會使金屬進一步分開的力量。但他們發現，在某些條件下，張力實際上導致裂縫閉合，將邊界的邊緣重新融合在一起。

“這完全是偶然的，”德姆科維茨説。“這不是我們預期會看到的。”你可以在這段七秒的視頻中看到自我修復的過程，感謝麻省理工學院。注意視頻底部右側的矩形形狀（一個裂縫）發生了什麼。

那個矩形裂縫*與鄰近的晶界相互作用，改變了裂縫的行為。當施加足夠的張力時，晶界本身可以移動，從而對裂縫產生額外的力量。德姆科維茨説：這對於裂縫的修復至關重要：當額外的力量傾向於閉合裂縫而不是打開它時，金屬中的自我修復就可以發生。

這一發現仍然很新，距離實際應用還有很長的路要走。但德姆科維茨説，原則上，自我修復機制可以應用於金屬，以修復小問題，防止其進一步擴散。

“現在的問題是，我們如何設計一種在你想要的時候能夠自我修復的材料？”他説。“我們還真的不知道。但如果這在工程界得到推廣，你將會有巨大的可能性。你可以製造更輕的金屬，因為它們不會降解得那麼嚴重。想象一下提高汽車、飛機、地鐵的效率，以及建築物的抗震能力。這一切都是非常新的。”

這一發現還反映了一個令人驚訝的事實，德姆科維奇強調：我們對金屬的理解還有很多不足，即使是最簡單的金屬。他解釋説，在一小塊鐵或鎳的內部，有着複雜的結構——就像磚塊構成建築，建築構成社區，社區構成城市，原子構成晶粒，晶粒構成聚集體，聚集體構成一片金屬。“材料的行為實際上是其結構所有層次的集體特性，”他説，“包括缺陷和晶粒排列，以及它們之間的邊界。”而正是這些多層次的相互作用，我們並沒有完全理解。

把它稱為材料科學中留存的一點魔法——一些尚待施展的鍊金術。

****更正：***這篇文章的早期版本錯誤地將裂縫稱為“位錯”。它不是。

頂部圖片由 Flickr 用户 Garry Knight 提供。