????從生產(chǎn)標(biāo)簽到加固路面，都能用上科學(xué)家們創(chuàng)造出來的奇異的新型材料

????作者：Gene?Bylinsky?

????使用壽命長達(dá)半個世紀(jì)的電燈泡。穿上后就按腳型固定成型的鞋子。能把一部故事片儲存進(jìn)一張CD的微型藍(lán)色激光束。包起公路高架橋構(gòu)件以防生銹剝蝕的合成材料。

????這是一些正在研制或者已經(jīng)生產(chǎn)出來的令人驚奇的產(chǎn)品，科學(xué)家們正在開創(chuàng)一個按需定造各種材料的時代。科學(xué)家們開始從物質(zhì)的原子構(gòu)造去探索它們的秘密。譬如說，是什么東西使鉆石那么堅硬？腱又是為什么那樣的韌？現(xiàn)代的煉金術(shù)士們正在借助超級計算機(jī)和自己的新知識，創(chuàng)造出具有各種奇特性能的材料。休斯電子公司（Hugues?Electronics?Corp.）負(fù)責(zé)研究和技術(shù)的高級副總裁阿瑟?切思特（Arthur?N.Chester）為此而興高采烈：“我們可以設(shè)計出自然界不曾有的各種材料和材料的合成體，并按照原子層逐層把它們生產(chǎn)出來。”這些新型物質(zhì)被用來制造從新型無線通訊器材到更強(qiáng)勁的汽車發(fā)動機(jī)等一系列產(chǎn)品。

????當(dāng)然，擺弄分子遠(yuǎn)比Tinkertory?牌結(jié)構(gòu)玩具要復(fù)雜得多。現(xiàn)代的煉金術(shù)士們也不是事事稱心如意。以名噪一時的隱型轟炸機(jī)為例：聯(lián)邦機(jī)構(gòu)最近發(fā)表的一份報告說，隱型轟炸機(jī)外表的干擾雷達(dá)涂層，在大雨、高溫或潮濕的情況下，很快就失去了隱蔽性能。在海外動用這些價值20億美元的飛機(jī)大概還得需要配備帶空調(diào)的飛機(jī)庫。

????材料學(xué)方面的按需定制的情況正在發(fā)生巨大的變化。幾年前，加里福尼亞大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家馬文?科恩（Marvin?Cohen）就預(yù)言，人類能夠合成一種碳氮化合物，硬度將超過鉆石。今天，已經(jīng)合成出來了極少量的碳氮化合物，只是數(shù)量太少，還不夠用來測試它們的硬度。

????科恩的工作向人們表明了，新的煉金術(shù)士們在用量子力學(xué)的抽象公式來具體地影響人類的生活。他利用計算機(jī)模型，探測原子在最基本狀態(tài)下的特點。這使他能夠預(yù)見到別人來曾見到過的新型材料的性質(zhì)——從新的超導(dǎo)材料到類似鉆石的碳氮化合物。

????在其它的科研機(jī)構(gòu)里，科學(xué)家們試圖模仿自然，復(fù)制出像支柱絲那樣異常柔韌、象藤壺那樣有著極強(qiáng)的附著力、像鮑魚殼那樣堅硬無比的材料。他們在借助古老的設(shè)計，制造來來的超級材料。

????本刊記者最近走訪了全美十多家科研機(jī)構(gòu)，對材料科學(xué)的進(jìn)展進(jìn)行了考察。

????馬薩諸塞州坎布里奇，麻省理工學(xué)院

????只要碰一下，凝膠就會膨脹或收縮，隨人所愿變成各種形狀或形態(tài)

????下圖所示的一團(tuán)東西就是凝膠，一種由分子組成的松散而又有一定凝固力的混合物。吉露牌果子凍當(dāng)然是最著名的凝膠。如果把凝膠加熱，聯(lián)結(jié)分子的鏈環(huán)很快就會斷裂，從而發(fā)生液化。然而，在一種新的“智能”凝膠中，分子鏈要牢固得多，它們具有一些讓人驚訝的特性，如受熱后會暫時變硬。

????在性能奇異的凝膠中，有一類材料在遇熱、遇光、遇電，甚至遇到磁場時會急劇膨脹或收縮。“反應(yīng)遲鈍”的凝膠在吸水后只會小幅度地膨脹，如用在尿布片上的材料，而高智商的凝膠與此不同，它能夠膨脹到自身體積的1,000倍以上，然后恢復(fù)原狀。要做到這一點的關(guān)鍵，是使它們在擴(kuò)張力和收縮力之間保持一種極其微妙的平衡。在特定狀態(tài)下，智能凝膠的分子結(jié)構(gòu)可以呈排斥水分的狀態(tài)；但輕松地?fù)?dān)一下，就轉(zhuǎn)為親水狀態(tài)了。

????智能凝膠已經(jīng)得到了商業(yè)應(yīng)用——用來制造高爾夫球的內(nèi)底。足部體溫導(dǎo)致鞋底改變形狀，令穿鞋的人感到舒適合腳。它還將有別一種用途：在受胃酸破壞的食管組織表層形成一種保護(hù)膜。

????研制智能凝膠工程的主要人物是麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家田中豐一（Toyoichi?Tanaka）。田中發(fā)現(xiàn)了凝膠變化的原理，他還是麻薩諸塞州貝德福一家名為凝膠科學(xué)公司（Gel?Sciences）的共同創(chuàng)辦人，這家公司在開發(fā)基于凝膠的新產(chǎn)品方面獨樹一幟。

????帕洛阿爾托，惠普公司

????就發(fā)光二極管而言——不久，還有激光——藍(lán)是金錢的顏色

????不同于其它的高科技領(lǐng)域，光電子學(xué)的第一上不進(jìn)展都得益于那些自然界里從來沒有過、而且是按原子層逐層創(chuàng)造出來的新材料。如今，象銦鎵氮化物和硅化物等各種各樣新奇的物質(zhì)，正在使體積小而功能大的藍(lán)色發(fā)光二極管和激光二極管變得比一顆鹽粒的體積還要小。

????紅色、綠色發(fā)光二極管和紅色激光二極管到處可見、發(fā)光二極管作為顯示器用在各種電子器件上，激光二極管用于CD機(jī)上。然而，制造能發(fā)出語言的二極管絕非易事，因為所需的材料對溫度和壓力的要求非常特殊。惠普公司（Hewlett-Packard）和日本、美國的其他公司最近成功地制造出了成本更低的藍(lán)色發(fā)光二極管；加上其他顏色的發(fā)光二極管，人們可以制造出更大、更清晰的戶外屏幕、大型電視機(jī)和壽命長達(dá)50年的發(fā)光二極管燈泡。

????藍(lán)色激光器發(fā)出的光線的波長，要比紅色激光器的光線短得多，因此，藍(lán)色激光器的作用可能要更大一些，例如，可以把CD上的信息容量擴(kuò)大五倍。從目前科學(xué)家對新材料的掌握的情況看，藍(lán)色激光器的問世只是一、二年內(nèi)的事。日本的阿南日羅化學(xué)工業(yè)社（Nichia?Chemical?Industries?of?Anan）可能會是第一生產(chǎn)商，因為它的雇員中有藍(lán)色激光研究的奇才中村依次（Shuji?Nakamura）

????新澤西默里希爾，貝爾實驗室

????一次性電腦即將問世

????用于制造電子集成電路的材料——硅，現(xiàn)在有了一個不算太新的競爭對手：塑料。朗訊技術(shù)公司貝爾實驗室的專家們，用一種類似邁拉牌聚酯薄膜的塑料和像印刷書籍書刊一樣的辦法，生產(chǎn)出了可以儲存數(shù)據(jù)和進(jìn)行基本運算的集成電路。

????塑料電腦當(dāng)然永遠(yuǎn)無法永遠(yuǎn)取代奔騰電腦，但是它們可以提供一次性的信息，因而，它的用途實際上可以說是無所不在：行李上的標(biāo)簽牌、出入證、甚至雜貨架上裝麥片的盒子。當(dāng)塑料電腦跟具有感應(yīng)或能耐發(fā)出信號的物體連接之后，就可以使很多東西活起來。請想象一下：裝維生素藥片的瓶子上的標(biāo)簽，除維生素的生產(chǎn)日期之外，還會根據(jù)所處環(huán)境的熱度、濕度，綜合計算出藥片的有效期。

????要制造能夠?qū)щ姷乃芰希仨毧刂莆矬w聚合物的長度，或者說是分子鏈的長度。一般而言，物體聚合物或分子鏈的長度差別很大。目前，科學(xué)家們用的是化學(xué)合成物；將來，可以利用基因經(jīng)過重新編程的細(xì)菌來大批生產(chǎn)電子聚合物。馬薩諸塞州大學(xué)的化學(xué)家大衛(wèi)???特里爾（David?A.?Tirrell）已經(jīng)能夠用E桿菌制造出有感應(yīng)和能發(fā)出信號的聚合物。這種聚合物非常敏感，能夠探測出是否存在殺蟲劑。

????紐約伊薩加，康奈爾大學(xué)

????就超強(qiáng)纖維而言，蜘蛛仍然天下無敵

????自然界的進(jìn)化，先造出了超強(qiáng)度的材料；如今，“生化擬態(tài)”領(lǐng)域的科學(xué)家們試圖模仿和改進(jìn)自然界事物。鮑魚的外殼是坦克車外殼設(shè)計師們的模型，而膠水生產(chǎn)者想超過藤壺，制造出比藤壺滲出的世上最黏的水底黏膠有著更強(qiáng)附力的黏合劑。就纖維制造而言，佛羅里達(dá)的金球蜘蛛當(dāng)首屈一指。人類需要酸、高溫和工廠來制造堅韌的纖維，而蜘蛛吐出來的細(xì)絲在室內(nèi)溫度下的水溶液中，其強(qiáng)度比鋼還要高。

????康奈爾大學(xué)的研究人員想改變這種差距。為了取得蛛絲進(jìn)行分析研究，他們養(yǎng)了一些蜘蛛，并從它們身上“抽取”細(xì)絲，每周三次，每次45分鐘。研究人員先把蜘蛛用膠紙輕輕地粘在板子上面，然后用顯微鏡觀察它們的造絲機(jī)構(gòu)。一般情況下，總有細(xì)絲會冒出來。這時候，研究人員就用小鑷子夾住細(xì)絲頭，并設(shè)法把細(xì)絲繞到一個旋轉(zhuǎn)的圓軸上。圓軸每分鐘可以卷出兩英寸多的蜘蛛細(xì)絲。

????為了能解讀蜘蛛細(xì)絲的結(jié)構(gòu)，研究人員還在蜘蛛的食物里加進(jìn)了少許放射性物質(zhì)。其目的是為了合成能夠產(chǎn)出比蜘蛛絲還要堅韌的纖維。首先，研究人員打算把細(xì)菌的基因重新編程，來生產(chǎn)纖維；他們希望最終能用植物來制造高強(qiáng)度纖維。煙葉是可用的一種原料，因此，蜘蛛絲可能會成為處境困難的煙草工業(yè)的生命線。

????譯者：陳舒