更智能、更安全、更强大、更先进的未来材料

材料科学长期以来一直是材料进步乃至所有进步的根源，以至于我们可能倾向于认为它最大的贡献已经过去了。石器时代、青铜时代、铁器时代：它们都以我们制造和操作日常物品的方式的显著改进为特征，从打制燧石制成更锋利的斧头，到合金铝制成更轻的飞机机翼。但现在，在硅时代，进步不就是操纵 1 和 0 吗？

答案是肯定的“不”。材料在今天比以往任何时候都更加重要，这就是为什么《大众科学》杂志将本期的大部分篇幅都用于介绍材料。在全球各地的实验室中，科学家们正在努力创造未来产品的基础：超光滑涂层，可以抵御从冰（在轻型飞机机翼上）到金黄色葡萄球菌（在充满细菌的医院中）的一切物质；自调节材料，可以随着温度或 pH 值改变其性质；压电薄膜可以捕获浪费的能量，就像其他智能材料可以更有效地利用这些能量一样。随着工程师在测试实验室中验证这些材料并将其纳入利用新功能的设计中，一切都将得到改进，从准备用于星际探索的宇航服到核反应堆。

事实上，摩尔定律是硅时代的核心原则，它描述的不是数据科学的原理，而是材料科学的原理——每隔 18 个月，我们就会找到一种方法，将两倍多的组件塞进有限的芯片中。因此，更好的材料可以制造出更好的计算机，这反过来又可以帮助我们设计出更好的材料。在材料科学经历了几百万年的进步之后，我们才刚刚起步。

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蜘蛛丝植入物

人体组织太容易撕裂，而蜘蛛丝比钢铁还要坚硬。因此，犹他州立大学的研究人员正在将蜘蛛丝纺成修复肩膀和膝盖损伤的方法。他们培育转基因山羊，使其大量产生蜘蛛丝蛋白，将这些蛋白纺成丝线，再将这些丝线编织成纤维。这些细丝保留了蜘蛛丝的弹性，但强度是人类韧带的 100 倍，是肌腱的 20 倍。麻省理工学院将蜘蛛丝蛋白与胶原蛋白相结合的 Markus Buehler 表示，蜘蛛丝还可以使骨移植物更不易碎。两个研究小组都估计，到 2030 年，蜘蛛丝植入物可能会获准用于人体。

—莎拉·费希特

电子皮肤

皮肤不仅能保护身体，还能传递感觉。通过让电子设备变得柔软有弹性，工程师们找到了一种方法，让覆盖在移植物和假肢上的人造皮肤也能有感觉。伊利诺伊大学的研究人员已经发明了足够薄、足够灵活的电路，可以覆盖指尖，将压力转换成电信号。斯坦福大学开发的一种凝胶能够储存电能，可以制成可塑电池。卡内基梅隆大学的卡梅尔·马吉迪 (Carmel Majidi) 正试图将橡胶变成压力和摩擦传感器。他在橡胶中嵌入了液态金属的小通道，随着液体的移动，金属的导电性会发生变化。电子皮肤对非人类也可能有用。“这种工程方法可能会让机器人和机器变得更加逼真，”马吉迪说。

—劳伦·阿伦森

更安全的核反应堆

美国 104 座核电站的很多部件都严重依赖钢铁，包括装有铀的压力容器。但最终，持续不断的辐射会使钢铁劣化，使其容易断裂。加州理工学院和洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员发明了纳米层压复合材料，这种材料可以更好地防止未来反应堆发生灾难。复合材料金属层之间的界面吸收了辐射引起的缺陷，这些缺陷会导致辐射材料变脆。加州理工学院工程师 Julia Greer 表示，在短期内，层压板可以与钢铁结合，以取代现有工厂中老化的部件。航天器材料也可以涂上纳米层压板，保护它们免受深空宇宙辐射的伤害。

—洛杉矶

电动跑鞋

一百多年来，工程师们一直在利用压电装置将机械应力转化为电能，但通过撞击路面为 iPod 供电的目标却一直难以实现。目前的压电材料难以制造，而且通常含有有毒金属，如镍和铅。劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员通过使用一种可自组装成薄膜的基因工程病毒解决了这两个问题。施加压力时，病毒外壳上的螺旋蛋白会扭曲和转动，产生电荷。轻敲邮票大小的样本可产生 400 毫伏的电流，足以为 LCD 屏幕短暂供电。生物工程师 Seung-Wuk Lee 表示，在 5 到 10 年内，这种薄膜还可用于利用建筑物振动、心跳和其他类型运动的能量。

—SF

热追踪太阳能电池板

就像向日葵向着光线弯曲一样，太阳能电池板也可以随着太阳的移动而旋转，从而增加能量输出。但旋转也需要能量。威斯康星大学麦迪逊分校的工程师蒋洪瑞说：“没有多少材料能够对阳光做出反应，同时又具有机械响应。”蒋开发了一种可以被动移动太阳能电池阵列底座的材料。他将吸收阳光的碳纳米管与
一种液晶弹性体 (LCE)，遇热收缩。当太阳能加热底座的一侧时，LCE 收缩，导致太阳能电池板向太阳倾斜；一旦该侧进入阴影，LCE 就会冷却并恢复到其原始高度。现场测试表明，该系统可将太阳能电池板的效率平均提高 10%。

—SF

无菌医院

美国医院每年约有 10 万名患者死于细菌感染。医护人员必须不断对物体表面进行消毒，以阻止细菌传播。哈佛大学实验室率先研制出一种材料，可以从一开始就防止微生物在导管等医疗设备上生长——这种材料非常滑，甚至细菌都无法粘附在上面。该材料基于 SLIPS（光滑液体注入多孔表面）技术，利用了昆虫滑入猪笼草的相同机制。纳米孔结构覆盖固体基底（如聚四氟乙烯或金属），可将超光滑的润滑剂渗透到基底上。其他物质（包括细菌）都会从液体涂层上滑落。哈佛大学材料科学家 Tak-Sing Wong 表示，SLIPS 对灰尘、冰和涂鸦具有相同的效果，因此可能对更多行业有用。

—劳拉·格格尔

蝙蝠翼飞机

今天的飞机远不及自然界最优秀的飞行员的敏捷性和精确性。“蝙蝠
“与大多数动物和大多数工程材料不同，因为它们的翅膀非常灵活，具有许多有趣的空气动力学特性，”布朗大学机械工程师肯尼·布鲁尔说。雪城大学的帕特里克·T·马瑟和他的团队创造了一种具有类似品质的材料：聚合物链排列整齐，使其在一个方向上坚硬稳定，但在另一个方向上的弹性是后者的 12 倍。从现在起 5 到 10 年后，这种材料可以让小型无人机的机翼通过膨胀和收缩来拍打，这将使飞机能够以低速飞行并在监视任务中精确旋转。

—洛杉矶

智能服装

通过穿上不同的衣服，人们可以应对阳光、雨水和寒冷——但衬衫或裤子从未像现在这样智能地适应环境。匹兹堡大学的工程师安娜·巴拉兹说，二十年内“你的衣服可以替你思考”。匹兹堡大学和哈佛大学开发的一种材料可以调节温度，使其保持在一定范围内。其层内的化学和机械反馈回路可以在预编程的温度下打开和关闭产热反应。同样的策略可以用来制造能够响应其他刺激（如 pH、光或葡萄糖）而自我调节的材料——这意味着水管、窗户和医疗设备也可以同样智能。

—SF

自我修复电脑

集成电路或许开启了数字时代，但它们仍受到一个重大限制：物理损坏。伊利诺伊大学开发的一种新涂层能够在不到一毫秒的时间内使断电电路恢复正常，即使你“用 X-Acto 刀切开它”，工程师南希·索托斯 (Nancy Sottos) 说道。她的团队在金线上涂上液态金属微型胶囊。当金线断裂时，胶囊会破裂，液态金属会填补裂缝，恢复导电性。索托斯表示，在 5 到 10 年内，类似的自修复涂层可以覆盖连接电路板组件的线路，使几乎所有计算机或小工具都具有自我修复能力。

—洛杉矶

坚不可摧的装甲

麦吉尔大学工程师 Francois Barthelat 表示：“在材料科学的很多领域，我们已经达到了工程技术所能达到的最好水平。我认为大自然还有很多新技巧可以教给我们。”许多海洋动物的防护装甲比其构成材料强 3,000 倍。通过复制鱼鳞的结构，Barthelat 同样提高了复合材料的韧性。维拉诺瓦大学的工程师将陶瓷晶体以与海螺壳相似的角度堆叠在更柔软的化合物中。由于裂缝呈锯齿状逐渐消失，而不是使材料碎裂，因此其强度是基础陶瓷的 10 倍。这些进展可以在三到五年内增强装甲的强度。

—洛杉矶