1、可自我修复金属美国大片中，屡屡能看到其中的金属机器人身受外伤，竟然能够自我修复，甚至内部芯片和电路也可以自愈。如今，这种科幻情节正在走向现实。 美国加州理工学院开发出一种全新的自愈微芯片，像终结者一样，这种芯片能够在激光多次冲击中幸存。该学院的科研人员在一个区域上放置 76 个芯片组件，组成一块和硬币大小相当的芯片，然后用大功率的激光器对这些组件发射激光进行破坏，这块芯片却能在一秒的时间内迅速恢复运作。 这就是金属的自我修复功能。美国麻省理工学院（MIT）材料科学和工程教授迈克尔戴姆克维兹和研究生徐国强在一项金属特性实验中也意外发现，在受到外部力量作用产生裂痕后，金属的晶粒边界会展开大面积修复
2、行为。 自我修复，是生物界在长期进化过程中获得的自我防御机制之一。大多数金属都是由细微的晶粒构成，晶粒的大小和方向能够影响金属的强度和特性。金属合金分子结构电脑模拟显示，微晶粒之间的边界会在压力下出现裂痕。但在某些条件下，压力可以让这种晶粒的微观结构发生改变：使晶粒边界发生移动，而晶粒边界移动则是修复“创伤”的关键。 事实上，科研人员一直在对固体金属中晶粒边界的移动进行着研究，早在一个世纪前这种现象就已经被观察到，当时认为只是一种奇特现象。他们发现只有部分晶粒边界延伸到一个晶粒时，才发生自我修复的现象，并不是所有部分。当时被称之为“向错”的缺陷。 “向错”缺陷带来的结果实际上就是金属的自我修复
3、功能。戴姆克维兹教授和其学生在实验中意外发现这种修复行为后，为重现这一现象，他们为之建立了计算机模型，通过模型演示清楚地观察到金属材料在遭受外力创伤时，晶粒边界发生移动完成自我修复的过程。 事实上，金属内部原则上都存在一个尽可能减小外力所造成的裂痕的机制。 “向错”有强烈的应力场，实际上它们完全可以减弱外加负载产生的影响。当破裂的材料两边被撕开时，这种机制阻止裂痕不再进一步扩大，并且使之产生愈合。 “这项技术可能也适用于影响金属的其他类型的失效机制，如塑性流动不稳定性类似于拉伸一块太妃糖，直到它断裂。对金属的微观结构研究认为创造旋转位移可以减缓此类失效的发展。 ”中国科学院理化技术研究所双聘研
4、究员刘静告诉记者。 这些失效是造成很多材料寿命受到限制的因素，包括用于飞机、油井和其他重要工业应用的材料在内均是如此。金属疲劳，如纳米裂纹随时间不断积累，可能是结构化金属最常见的失效模式。如果你能找出防止这些纳米裂纹发生，或一旦形成后能加以立即修复，或阻止它们扩展的方法，将可望提高组件的寿命或安全。 引发新材料革命 事实上，这种自我修复机制相当简单。科研人员沿着线路部署 10 微米大小的充满了液态金属镓铟合金的微型胶囊，如果电路下方出现裂缝，那么胶囊就会裂开去修复电路，溢出的液态金属能恢复 99%的导电性。这种微型胶囊能“治愈”大部分测试电路，用时只需一微秒，便能让电压恢复到正常值。 现在的可
5、充电电池在多次重复使用后会因设备内部的损害中断电流引发故障，科研团队希望借用这一技术研制出寿命更长的可充电电池。届时电动汽车电池维护成本也将减小。这一成果还可用来制备具有自我修复功能的电子芯片和电子设备。 目前主要的技术难点在于如何让胶囊知道电路已经损坏，现阶段胶囊开裂的可能性为 90%。科研人员表示，这项技术也能在常见的印刷电路板上使用。 除此之外，部分金属与其他特殊材料混合制成复合材料后，其具备的自我修复功能还可以用于军事方面。美国五角大楼曾检测一项可自我修复的新材料，这种材料由镁、铝等金属，与其他特殊材料混合构制，其内部呈泡沫结构，熔点相对较低。 若把这种材料用在装甲车外部，当遭到火箭弹
6、等重型武器攻击时，这种材料中的泡沫便会破裂，裂缝将被气流携带的金属液体迅速填补愈合，之后凝固，就能使装甲车恢复如初。这种机制一旦被人类掌握，便可能研制出更多新式材料，应用在工业、军事等方面。 当然，这种自我修复能力还被科研人员用于人造肌肉自我修复方面的探索。 美国得州大学纳米技术研究院的教授雷鲍夫曼的研究思路是，利用电池或电源线为人造肌肉提供生命能量。如果能像人类肌肉通过食物供应获得再生能力一样，人造肌肉能够利用自我供电的方式获得能量，人造肌肉就会迈出伟大的一步。 最初的时候，鲍夫曼小组利用几层碳纳米管研制成人造肌肉，由于碳纳米管能够容纳大量的电荷，向这些层状碳纳米管中施加一定的电压后，这些人
7、造肌肉能够收缩。鲍夫曼随后将层状碳纳米管与燃料电池相连，这些燃料电池能够将化学能转化成电能。 但是碳纳米肌肉有一个很大的局限，虽然产生的力量是人类肌肉的100 倍，但它的伸缩幅度太小，不能用于人造器官等装置。 于是，鲍夫曼开始尝试另一种完全不同的新材料镍钛诺。它是一种镍钛合金，拥有记忆形状的特殊能力，这种合金能够很容易地弯曲或伸展，外力消失又会很快恢复到以前的形状。 鲍夫曼将这种合金做成电线，这些电线能够“记住”两个不同的长度点。镍钛诺人造肌肉最大的优点是伸展幅度非常大，完全可以达到机器人和人造假肢的要求。 目前，具有记忆形状的镍钛诺肌肉所需要的循环系统还在研究中，人造肌肉在控制精确性、耐受力
8、和生物相容性等方面还需要改进。 自我修复材料 为了寻找有效的新材料，实现金属自我修复的功能，科研人员试图通过人为手段来实现。 北卡罗来纳州立大学的科研人员就发现了一种使用液态金属和特殊聚合物制造电线的方法。这种液态金属电线具备极强的伸缩能力，可以拉伸为原始长度的 8 倍。在拉伸的过程中电线还可以正常使用，即便完全切断也具备自我修复的功能。 为了制备这种具备自我修复能力的电线，科研人员专门制造了一种由聚合物材料构成的外部护套。他们将铟和镓的液态合金放置于这一同样具有可延展功能的护套通道之中，发现和液态合金相连的电线可以导电使得灯泡变亮。 为了验证这种液态金属的自我修复能力，科研人员用剪刀将护套以
9、及液态金属的通道剪断，灯泡随之熄灭。但外露的液态金属因为被氧化，形成了坚固外层，不会有泄漏。再将剪断的两边接合起来，液态金属又恢复了流动，灯泡也再次被点亮，可见其修复能力使得接合效果与断裂之前相同。 事实上，刘静认为，相变过程中，金属中的支晶有的像狼牙棒、有的像仙人掌，确实会产生自我修复，但其状态和程度取决于很多因素，比如单质的金属和合金就不一样，温度的高低也会产生不同的影响。这说明金属在固态变为液态的时候会发生相变。 如果将这样的液态电线与小型录音设备相连，嵌置于桥梁或水坝内，电线会随着压力变化而伸收，建筑结构的安全性便可以被实时监测。这些成果还可以用于从耳机线到手机充电器电线等各种导线和电
10、子纺织品中，负责该项研究的迈克尔迪基博士表示，包裹在特殊材料护套中的液态电线，不仅可自我修复，还具备可根据其接收的无线电波长来自我调整的能力。这种液态金属电线可以供可携式无线设备使用。 成绩与挑战 在金属修复能力机制探索方面，由刘静领导的中国科学院理化技术研究所与清华大学联合小组同样有所建树，其科研成果发表于美国物理学会应用物理快报上。核心思想在于：他们在驱动弹性体方面引入了具有超级顺应性和平面自修复特性的液态金属薄膜电极技术，其中液态金属薄膜平面自修复现象系首次发现。 由于采用了液态金属电极，这一技术可以实现的弹性材料形变量，显著超越了以往的固体金属电极技术，以及近年来引起关注的纳米金属颗粒
11、浆料电极技术，在人工肌肉、柔性电子和智能服等方面有着重要的应用价值。而且，与以往金属自修复机制不同的是，该材料的修复过程完全依靠电学激励，无需借助机械力作用，因而易于发展成纯电控的智能器件。 事实上，该小组在以往的试验中还曾发现，金属在固态变为液态的时候会发生相变，出现不同的相态和不同晶体。在力学和其他外部条件的作用下，会呈现形态各异的支晶，类似于雪花、冰晶，这可用于材料特性的控制。金属材料的自修复行为是一个新兴的领域，为许多非常规应用打开了大门。然而，要实现特定技术的产业化应用，还需解决所面临的一系列基础和应用问题，比如材料组分、结构与功能的对应关系，材料设计与器件集成乃至最优应用方式的探索等。 “总的说来，金属的自我修复机制近年来引起了越来越广泛的关注，未来在应用层面还会有更大的拓展。相信随着研究的深入，还会有更多规律终将被一一澄清。 ”刘静说。
