可編程材料，未來科技的材料“基建”_風聞

文/觀察未來科技

材料的進步在很大程度上帶領着科技的進步，對材料的認識也彰顯了人類自身對於世界的認知程度。早在文藝復興時期，近代科學家就已經開始了科學的研究探索化學合成和加工新的材料，從塑料到今天的石墨烯和碳納米管，對材料的認識和發現貫穿着整個近現代科學發展的歷史。

**當前，即便由石墨烯及其衍生物帶來的種種技術創新讓我們已經窺見被顛覆的明天世界，但****研究仍將繼續。**不可避免的是，其他材料也將被相繼發現，為人們展現目前難以想象的更加遠大的技術前景。在這些備選項裏，可編程材料是極其重要的一個選擇。

​傳統材料和可編程材料

可編程材料，簡單來説，就是可以通過外部信號的應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，或者其他局部性質的操控。

基於可編程材料而發展的可編程材料技術，就是可以向材料傳導或者輸入的數字電子信號，甚至可以是腦電波經過編譯之後的信號，以及熱信號和光信號等，材料根據輸入的特定信號而被誘導作用，從而定向、有序地改變分子間的排布和分子間結構，甚至是破壞固有分子形態，產生超出原本屬性的物理表現。

這跟傳統的材料製備和合成工藝有着根本上的區別，傳統的大規模材料製備工業中，只能粗糙地，不能精確地製造出所需要的部件，工藝過程中不可避免地會讓零件或者材料產生缺陷和變形或者功能和性質上的偏差，從而難以適應未來越來越嚴格的精細和高度定向的材料設計要求。

而可編程這個概念，則將計算機語言精細功能化、模塊化、智能化的基礎特徵融入功能材料設計與製備工藝中，通過數控終端用自動化、智能化的彙編語言來實現對材料的進行定向地精確地光誘導、熱處理、表面化學合成、修飾、刻蝕、電磁激發等各種物理化學處理。

以我們人手一部的智能手機為例，如果我們想要在智能手機或平板電腦上閲讀一些新聞，要想找到閲讀新聞的應用程序並打開這個程序，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，與電子設備中的視覺顯示和電子控制系統集成在一起。

當受到壓力時，屏幕會以預編的方式進行響應，與設備的電子控制系統連通，從而得到所需的結果——當屏幕被觸碰時，它的電性質將發生改變。一些觸摸屏會利用這種變化實現互動，並控制設備的響應。雖然壓力與電性質在物理學上有很大差別，但它們產生的功能是一樣的。此類預編的響應結果包括打開或關閉設備、打開或關閉應用程序輸人文本等。

**可編程材料的優勢是顯而易見的。一方面，可編程材料將實現材料的精確化。**當前，由於科技的限制，許多要求在微觀尺度下進行加工或者製備功能材料的工藝遠遠達不到理論的要求，更不要説是工藝步驟中產生的絕對誤差，而可編程材料無論是表面物理化學處理，還是微納米結構材料的加工或合成，都能夠實現一種更加微小的、集成化的精細加工，在形狀，物理化學性質等方面對局部都做到近乎理想情況的水平；另外，由於計算機語言量化的特性，決定了可編程材料在加工製備的過程基本不會有無意義的消耗。

另一方面，作為處於數字化工藝生產的終端的材料本身，在傳統工藝上步驟分離的加工方式在可編程材料上****將像現代硅基半導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，並且不同化學物理的加工處理方式上也將統一到同一個基體內，連續化的工藝將減少產品生產的不可預計的誤差產生。

另外，由於未來計算機語言將具有明顯學習特徵，可編程材料作為處理命令的一部分也將服從系統的智能特性，能夠應對更加複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和彌補的功能。

可編程材料臨近

當前，可編程材料已經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，然後在遇熱時自行改變形狀**，基於這種特性，鎳鈦諾也被稱為記憶合金**。

鎳鈦諾可以用於製造電線，在各種消費品和工業品中都有所應用。比如，牙套的弓絲，人體的熱量會給鎳鈦諾製成的弓絲加熱，導致弓絲收縮繼而施加必要的力，以矯正牙齒的位置；心臟手術中植入的支架；恆温控制器，用於需要讓形狀隨温度發生變化的地方；以及控制太空系統穩定形態設備。事實上，自從鎳鈦諾在1959年被科學家發現，科學家幾乎在每年都能發現新的用途。

**顯然，擁有超強形狀記憶功能的材料將在日常生活中發揮非常實用的功能。**比如，在停車場撞彎保險槓時使用這種材料修補汽車的輕微損壞，不難想象，汽車保險槓或側板所採用的材料，平時呈現的是某一種形狀，但它們在加熱或暴露在特定波長的光線下時，又會呈現出另一種形狀。**技術人員也許只需將保險槓置於精準調校的“汽車修理燈”下，它就能自動恢復到原狀。**這樣，人們就無需為汽車提供其他昂貴的修理服務或更換配件。

這項技術同樣適用於飛機，使之隨着飛行環境的改變不斷調整形狀，並依據當地條件優化性能。大多數運輸工具都只能保持一種固定形態，但如果運輸工具可以根據當地環境條件巧妙地改變形狀——比如，汽車、飛機或船隻都能夠稍微變化外殼形態，就可以提高几個百分點的燃油效率，就像職業自行車手在下坡時對騎行姿態做出細微調整，以便充分利用最後一點俯衝速度。

另外，姜-泰勒金屬也是最具代表性的可編程材料之一**，姜-泰勒金屬可隨着環境的改變呈現出不同的電性質**。姜-泰勒金屬的名字來自姜-泰勒效應，該效應形容在低壓環境下，電子狀態下呈幾何排列的分子和離子能發生扭曲，這種新物質狀態能讓科學家通過簡單施壓將絕緣體（不能導電）變為導體。

曾有實驗嘗試將可編程材料與C60結合在一起。由60個碳原子構成的巴克球在充入金屬銣之後，一旦承受壓力，就會變為足球形狀，而在壓力減弱後又可恢復為正常的球形。想在單分子水平上控制任意數量的“開/關”系統，那樣的響應性分子是成功的關鍵**——要知道，“開/關”系統正是數宇革命的基礎。**

不僅如此，其他材料所具有的 “開關” 潛力也逐漸顯現出來，索烴和輪烷是屬於機械互鎖結構（MIMAs）的兩類納米材料，分別於 1983 年和 1991 年受到廣泛認可，並讓-皮埃爾·索瓦日（ Jean-Picrre Sauvage）和弗雷澤·斯托達特爵士（Sir FraserStoddart）憑藉這兩種材料在“分子機器設計與合成”中的應用，獲得2016 年諾貝爾化學獎。

索烴屬於機械互鎖結構，看起來像是兩個相互鎖在一起的環。這種材料是由長長的分子鏈構成的，這些分子鏈彎曲成環狀，首尾街接，形成永久性的閉合環。環與環之間也會相互吸引，不過，這種分子間的作用力較弱，近似於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，而超分子系統不再僅僅由一個孤立的分子構成。

輪烷****則類似於一個啞鈴，手柄處圍繞着一個獨立的環。分子較粗大的部位構成了啞鈴末端的“砝碼”，可以防止套環滑脱。套環和手柄之間發生強烈交互作用的地方稱為基點。在遇到適當條件時，套環可在基點之間穿梭或跳躍。

**經過多年的實驗，研究人員已經發現，他們可以預先設計出套環和手柄之間的引力，從而實現自動穿套。**這意味着索烴和輪烷將成為可編程材料，另一種化學反應將增加套環/手柄超分子系統的重量，從而困住套環，使其成為整個系統的一部分。

未來科技的“基建”

當然，當前的可編程材料的應用還只停留在淺層，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，在納米機器人的應用中，可編程材料就將發揮不可替代的重要作用。

**還是以索烴和輪烷為例，2005 年，荷蘭、英國與意大利聯合研究小組共同開發出一種納米機器，**只需向它添加某種光線，科學家就能讓液體逆流所上。該研究小組製成一種輪烷，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製的斜面連接起來。

在常態下，液體會沿並斜面向下流動，原理也很簡單，就是重力的作用而已。研究人員發現，在正常情況下，經輪烷改造的斜面同樣會讓液體向下流動。然而，當他們利用一種特殊光線照射輪烷改良後的斜面時，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吸收，從而賦予了輪烷環充足的能量，使其能夠從一個基點移動到另一個基點**。當輪烷環躍至第二個基點時，頂部的砝碼便會對液體產生排斥。

基於此，重新設置好光線位置後，研究人員就能夠使整個水滴沿晶片向上滾動。光源關閉之後，輪烷環將回到原始基點，液滴也將隨之沿品片向下滾動。

**這意味着，量子級作用力經過疊加便會在產生巨大的效應。**更重要的是，這種巨大效應將會在包括納米機器人在內的技術中產生真正的價值，比如，幫助分子向特定目標運動，通過注入物體實現無創精確手術等。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學中的應用，在當時，這些應用顯得非常遙遠且異想天開，而現在，人們已經通過更深入的研究看到了這些應用的未來和希望。

可編程材料另一項重要的應用是在4D打印中的應用。4D打印技術於2013年由麻省理工學院首次進行展示：將採用4D打印技術製作而成的聚合物鏈條置於水中，鏈條自動摺疊形成預先設計的形狀。這種鏈條由兩種材料採用增材製造而成，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生形變，形成預定的形狀。

與3D打印技術通過各種方式將原材料如同疊“磚塊”一般逐層堆疊成形，具有高設計自由度、無需模具等優點不同，**4D打印採用經特殊設計和製備的可編程材料，使這些“磚塊”能夠感知外界條件，隨之產生形狀、性能和功能的變化。**可以説，可編程材料的應用正是4D打印實現的基礎和關鍵。

實際上，4D打印技術的誕生就與可編程材料的研究密切相關。2007年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了“可編程物質”項目研究，該項目旨開發出一種可在軟件控制或外界刺激的條件下轉變成理想或有用形態的智能材料，實現根據需求在現場快速製造物資，並使軍事裝備能夠根據指令改變形狀。在未來，4D打印還將在多領域展現出其意義和魅力。

可以説，可編程材料的顛覆性並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革命的重要組成部分，並且在社會生活中得到今天難以想像的應用。