从生产标签到加固路面，都能用上科学家们创造出来的奇异的新型材料

    作者：Gene Bylinsky 

    使用寿命长达半个世纪的电灯泡。穿上后就按脚型固定成型的鞋子。能把一部故事片储存进一张CD的微型蓝色激光束。包起公路高架桥构件以防生锈剥蚀的合成材料。

    这是一些正在研制或者已经生产出来的令人惊奇的产品，科学家们正在开创一个按需定造各种材料的时代。科学家们开始从物质的原子构造去探索它们的秘密。譬如说，是什么东西使钻石那么坚硬？腱又是为什么那样的韧？现代的炼金术士们正在借助超级计算机和自己的新知识，创造出具有各种奇特性能的材料。休斯电子公司（Hugues Electronics Corp.）负责研究和技术的高级副总裁阿瑟•切思特（Arthur N.Chester）为此而兴高采烈：“我们可以设计出自然界不曾有的各种材料和材料的合成体，并按照原子层逐层把它们生产出来。”这些新型物质被用来制造从新型无线通讯器材到更强劲的汽车发动机等一系列产品。

    当然，摆弄分子远比Tinkertory 牌结构玩具要复杂得多。现代的炼金术士们也不是事事称心如意。以名噪一时的隐型轰炸机为例：联邦机构最近发表的一份报告说，隐型轰炸机外表的干扰雷达涂层，在大雨、高温或潮湿的情况下，很快就失去了隐蔽性能。在海外动用这些价值20亿美元的飞机大概还得需要配备带空调的飞机库。

    材料学方面的按需定制的情况正在发生巨大的变化。几年前，加里福尼亚大学伯克利分校的物理学家马文•科恩（Marvin Cohen）就预言，人类能够合成一种碳氮化合物，硬度将超过钻石。今天，已经合成出来了极少量的碳氮化合物，只是数量太少，还不够用来测试它们的硬度。

    科恩的工作向人们表明了，新的炼金术士们在用量子力学的抽象公式来具体地影响人类的生活。他利用计算机模型，探测原子在最基本状态下的特点。这使他能够预见到别人来曾见到过的新型材料的性质——从新的超导材料到类似钻石的碳氮化合物。

    在其它的科研机构里，科学家们试图模仿自然，复制出像支柱丝那样异常柔韧、象藤壶那样有着极强的附着力、像鲍鱼壳那样坚硬无比的材料。他们在借助古老的设计，制造来来的超级材料。

    本刊记者最近走访了全美十多家科研机构，对材料科学的进展进行了考察。

    马萨诸塞州坎布里奇，麻省理工学院

    只要碰一下，凝胶就会膨胀或收缩，随人所愿变成各种形状或形态

    下图所示的一团东西就是凝胶，一种由分子组成的松散而又有一定凝固力的混合物。吉露牌果子冻当然是最著名的凝胶。如果把凝胶加热，联结分子的链环很快就会断裂，从而发生液化。然而，在一种新的“智能”凝胶中，分子链要牢固得多，它们具有一些让人惊讶的特性，如受热后会暂时变硬。

    在性能奇异的凝胶中，有一类材料在遇热、遇光、遇电，甚至遇到磁场时会急剧膨胀或收缩。“反应迟钝”的凝胶在吸水后只会小幅度地膨胀，如用在尿布片上的材料，而高智商的凝胶与此不同，它能够膨胀到自身体积的1,000倍以上，然后恢复原状。要做到这一点的关键，是使它们在扩张力和收缩力之间保持一种极其微妙的平衡。在特定状态下，智能凝胶的分子结构可以呈排斥水分的状态；但轻松地担一下，就转为亲水状态了。

    智能凝胶已经得到了商业应用——用来制造高尔夫球的内底。足部体温导致鞋底改变形状，令穿鞋的人感到舒适合脚。它还将有别一种用途：在受胃酸破坏的食管组织表层形成一种保护膜。

    研制智能凝胶工程的主要人物是麻省理工学院的物理学家田中丰一（Toyoichi Tanaka）。田中发现了凝胶变化的原理，他还是麻萨诸塞州贝德福一家名为凝胶科学公司（Gel Sciences）的共同创办人，这家公司在开发基于凝胶的新产品方面独树一帜。

    帕洛阿尔托，惠普公司

    就发光二极管而言——不久，还有激光——蓝是金钱的颜色

    不同于其它的高科技领域，光电子学的第一上不进展都得益于那些自然界里从来没有过、而且是按原子层逐层创造出来的新材料。如今，象铟镓氮化物和硅化物等各种各样新奇的物质，正在使体积小而功能大的蓝色发光二极管和激光二极管变得比一颗盐粒的体积还要小。

    红色、绿色发光二极管和红色激光二极管到处可见、发光二极管作为显示器用在各种电子器件上，激光二极管用于CD机上。然而，制造能发出语言的二极管绝非易事，因为所需的材料对温度和压力的要求非常特殊。惠普公司（Hewlett-Packard）和日本、美国的其他公司最近成功地制造出了成本更低的蓝色发光二极管；加上其他颜色的发光二极管，人们可以制造出更大、更清晰的户外屏幕、大型电视机和寿命长达50年的发光二极管灯泡。

    蓝色激光器发出的光线的波长，要比红色激光器的光线短得多，因此，蓝色激光器的作用可能要更大一些，例如，可以把CD上的信息容量扩大五倍。从目前科学家对新材料的掌握的情况看，蓝色激光器的问世只是一、二年内的事。日本的阿南日罗化学工业社（Nichia Chemical Industries of Anan）可能会是第一生产商，因为它的雇员中有蓝色激光研究的奇才中村依次（Shuji Nakamura）

    新泽西默里希尔，贝尔实验室

    一次性电脑即将问世

    用于制造电子集成电路的材料——硅，现在有了一个不算太新的竞争对手：塑料。朗讯技术公司贝尔实验室的专家们，用一种类似迈拉牌聚酯薄膜的塑料和像印刷书籍书刊一样的办法，生产出了可以储存数据和进行基本运算的集成电路。

    塑料电脑当然永远无法永远取代奔腾电脑，但是它们可以提供一次性的信息，因而，它的用途实际上可以说是无所不在：行李上的标签牌、出入证、甚至杂货架上装麦片的盒子。当塑料电脑跟具有感应或能耐发出信号的物体连接之后，就可以使很多东西活起来。请想象一下：装维生素药片的瓶子上的标签，除维生素的生产日期之外，还会根据所处环境的热度、湿度，综合计算出药片的有效期。

    要制造能够导电的塑料，必须控制物体聚合物的长度，或者说是分子链的长度。一般而言，物体聚合物或分子链的长度差别很大。目前，科学家们用的是化学合成物；将来，可以利用基因经过重新编程的细菌来大批生产电子聚合物。马萨诸塞州大学的化学家大卫 • 特里尔（David A. Tirrell）已经能够用E杆菌制造出有感应和能发出信号的聚合物。这种聚合物非常敏感，能够探测出是否存在杀虫剂。

    纽约伊萨加，康奈尔大学

    就超强纤维而言，蜘蛛仍然天下无敌

    自然界的进化，先造出了超强度的材料；如今，“生化拟态”领域的科学家们试图模仿和改进自然界事物。鲍鱼的外壳是坦克车外壳设计师们的模型，而胶水生产者想超过藤壶，制造出比藤壶渗出的世上最黏的水底黏胶有着更强附力的黏合剂。就纤维制造而言，佛罗里达的金球蜘蛛当首屈一指。人类需要酸、高温和工厂来制造坚韧的纤维，而蜘蛛吐出来的细丝在室内温度下的水溶液中，其强度比钢还要高。

    康奈尔大学的研究人员想改变这种差距。为了取得蛛丝进行分析研究，他们养了一些蜘蛛，并从它们身上“抽取”细丝，每周三次，每次45分钟。研究人员先把蜘蛛用胶纸轻轻地粘在板子上面，然后用显微镜观察它们的造丝机构。一般情况下，总有细丝会冒出来。这时候，研究人员就用小镊子夹住细丝头，并设法把细丝绕到一个旋转的圆轴上。圆轴每分钟可以卷出两英寸多的蜘蛛细丝。

    为了能解读蜘蛛细丝的结构，研究人员还在蜘蛛的食物里加进了少许放射性物质。其目的是为了合成能够产出比蜘蛛丝还要坚韧的纤维。首先，研究人员打算把细菌的基因重新编程，来生产纤维；他们希望最终能用植物来制造高强度纤维。烟叶是可用的一种原料，因此，蜘蛛丝可能会成为处境困难的烟草工业的生命线。

    译者：陈舒