让材料为你所用——细数“听话”的材料

你有想过让你周遭的材料“听你的话”么？电影里出现过的场景又有哪些符合这个特点？

大白听到“嗷……”，于是蹦出来实行医疗护理。

紧箍儿听到紧箍咒就收紧惹的孙悟空痛不欲生。

《X战警2》中万磁王能控制铁，作为他成功出狱的武器。

好吧，这其实只是他的特异功能而已……

嗯，瞎说了……不然怎么引出主题呢，哈哈。让材料“听话”，其实说的是一个智能的问题，关于智能材料，是指能感知环境变化，并能实时改变自身的一种或多种性能参数，以响应外界变化从而与环境相适应的材料。它是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。

智能材料是真的“听人话”吗？倒也不然，它其实自己本身是没有这个特点的，但是在研究者的改装下，可以让它按照人们的意愿，让它自身对环境改变的反应适应人们的需求。

智能材料的特点在于其具备感知、驱动和控制能力。
（1） 感知：能检测并可以识别外界（或者内部）的刺激，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等。
（2） 驱动：能响应外界变化。
（3） 控制：能按照设定的方式选择和控制响应。

较传统的材料而言，智能材料多的是一份“活”力，即能感知变化并进行调控，如人类，在遇到危险时，可作出反应，以降低危害。

实现这种能力的方式有两种：
（1）在基体材料中，嵌入具传感、动作和处理功能的三种原始材料，即传感器+控制处理器。
（2）利用某些材料的微观结构在响应外界刺激下，发生改变而表现出不同性能的能力。

第一种方法最明显的例子就是机器人了，在机器人设计中加入传感器，让其感知外界特定因素的改变，再设定程序，使其能作出相应的调整与控制。

大白感知并治疗手臂擦伤

第二种方法就需要我们有一双善于发现的眼睛，找到具备这种能力的特殊材料。

当然，第二种方式在材料领域里，研究更为广泛。既然有这么多，就先挑几个来说说吧。

形状记忆合金，我们早已不陌生，大到航空航天，小到我们的眼镜框架，很多领域都可以看到它的身影。较一般的合金，形状记忆合金，从他的应力—应变曲线就可以看出，在加载，卸载这个过程中，产生的残留应变更小，甚至可为零，为零的话就表现为——超弹性。最早发现有这种能力的合金是镍钛合金，而其他不同元素的掺杂及掺杂量、以及工作温度都会对材料的性能带来不同的影响。

Ti-50.6Ni合金在不同温度下的应力—应变曲线

智能陶瓷，是利用陶瓷在不同外界环境下，使不同的能量，如机械能和电能之间相互转变能力，原因也是因微观晶体结构发生改变。与普通的陶瓷相比，其用途扩大更多，结构陶瓷应用较多的是高温陶瓷， 但智能陶瓷的应用领域可以扩大到信号转化器和生物领域。

电流变体的出现不是太早，它是μm级的可极化粒子分散在介电常数不同的某种液体中形成的悬浮液，在电场的作用下，粒子易发生极化，沿电场方向排列，改变液体的粘度。磁流变体与电流变体类似，只是外加诱因变成磁场。

磁流变体在外加磁场下结构发生改变

在智能高分子材料方面，研究的前景更是相当巨大的。普通高分子如聚乙烯塑料，其微观结构一般是连接较为紧密的聚合物，结构稳定，对外界环境的感知能力弱，因此一般不具备智能的特点。

形状记忆合金一般的刺激主要是温度，因为在不同温度下，马氏体—奥氏体的转变产生外观形状的变化。而对高分子就不同了，记忆功能高分子材料的记忆因素就有更多的选择，应力、形状、体积、颜色等都可以作为它的记忆范围，这就像扩大了脑容量一般……

能作出刺激响应的聚合物材料的纳米“行星”结构，外界环境改变，微观结构也发生改变

智能高分子凝胶能在外界pH、温度、光、电场、离子强度、溶剂组成等变化的刺激下，发生膨胀和收缩，从而构成其感知、处理、响应的智能特点。

对pH敏感的水凝胶，pH改变，体积相改变

还有一些高分子智能材料则可以应用在自修复领域上，建筑里加入这种材料，当建筑发生破损，光刺激下，结构改变，分子间交联，体积改变，从而可以填充在空隙中。

当然，更多智能材料依然待我们去发现，探寻不同材料的微观结构在外界因素的作用下发生的改变，善加利用，加以整改，必然给我们的生活带来不一样的风景。或许有一天，应用在生物体上，你也能获得像金刚狼一样可自行修复的皮肤。

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本文由材料人电影团队大黑天供稿，材料牛编辑整理。