金属“自愈”：让科幻走进现实

本文转自：解放军报

金属“自愈”：让科幻走进现实

■王越李韬牟梓齐

电影《终结者2：审判日》中，反派天网系统将最先进的终结者T-1000送回现实，执行刺杀任务。

作为液态金属机器人，T-1000展示了一种特殊的能力：伪装成人类的他，皮肤之下藏有一副银白色的金属身体。这不仅让他可以像橡皮泥一样随意变形，还可以无惧爆炸、枪击等外力造成的伤害。这种拥有“不死之身”的“自愈”能力，让荧幕前的观众大呼过瘾，更让一众科学家对“自愈”材料的研发产生了浓厚兴趣。

前不久，《自然》杂志的一篇公开报道显示，研究表明，纯金属中的“疲劳”裂纹可以进行内在自愈合。有科学家乐观地表示，在不久的将来，可以根据金属的这种能力，制造出更多可以自我修复的机器和结构，以推动相关产业的发展。

如今，金属“自愈”已不再是科幻场景，其过往到底经历了怎样的研发之路？当科幻真的走进现实，其未来发展方向又在何处？请看本期解读。

金属“疲劳”无法完全避免

生活中，我们可能遇到过这样的现象：一枚曲别针或一条细铁丝，在没有任何工具的情况下，无论使用多大的外力，都不能用手轻易把它拉断；但如果先用手将它捋直，而后用更小的力来回弯折几次，无需多时便能将其折断。

如果对金属持续不停地施加拉力，并不会导致金属产生裂缝；然而，如果这种外力是反复变化的，则更容易引起金属缺陷处附近原子间的化学键断裂。换言之，如果施加时而是拉力、时而是压力的外力，会导致部分能量转换成热能，积累到某个限度时，金属构件就会发生开裂。对于这种现象，科学家们有着一致共识，并将破坏产生的原因归结为金属“疲劳”。

谈到金属“疲劳”，大家可能觉得比较陌生。难道金属也会疲劳吗？对此，科学家们给出的答案是：会的。金属跟人体一样，超过了一定限度就会产生疲劳。

早在19世纪50年代，德国科学家沃勒最先提出了金属“疲劳”的结论。经过数次实验后，沃勒不仅发现了表现金属“疲劳”特性的曲线，还提出了疲劳极限的概念。

所谓金属“疲劳”，一般是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性的累积损伤，经一定循环次数后，产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。

通俗地说，当材料和结构受到多次重复变化的载荷作用后，产生的对材料和结构的破坏现象，就叫做金属“疲劳”。

我们从中不难看出，金属“疲劳”是变化的外力反复长期作用带来的结果。但因为金属在开裂前基本没有明显的变形，因此人们往往很难提前发现。同时，不同于人感到疲劳后稍加休息便可重新恢复体力，金属“疲劳”的过程是不可逆的。

据统计，在现代机器设备中，有80％～90％的零部件损坏，都是由金属“疲劳”造成的。在此基础上，也正是由于金属“疲劳”导致的一个细小裂缝，引发了诸如轮船沉没、飞机坠毁、桥梁倒塌等灾难性事故。

1985年，日本航空公司的一架波音飞机坠毁导致数百人罹难。经查，事故的起因是由于机尾处部分铆钉接合处出现了金属“疲劳”，飞机的一大半垂直尾翼在万米高空瞬间解体；1988年，德国某列车发生严重脱轨事故，其诱因也是一只发生金属“疲劳”的车轮钢圈……

千里之堤，毁于蚁穴。历史上，因金属“疲劳”导致的灾难性事故并不少见，如果不能及时发现并定位疲劳损伤结构，其造成的损失难以估量。

尽管投入了大量的人力、物力和财力，但随着人们对机械设备提出更高、更快、更苛刻的功能要求，金属“疲劳”现象仍无法完全避免。人们也普遍认为，金属“疲劳”产生的裂缝是不可逆的，而且只会越来越大。

“破镜亦能重圆”，金属可以“自愈”

金属“疲劳”问题是现代工业面临的大敌，如不及时解决，将会遗患无穷。但受制于技术、设备等因素，金属“疲劳”的真正原因一直未能查明。

100多年以来，科学家们从未停止对如何预防金属“疲劳”课题的相关研究。随着显微镜、电子显微镜等先进仪器的相继问世，科学家们逐渐揭开了金属“疲劳”的神秘面纱，一个较为有效的判断金属“疲劳”的办法应运而生——给金属“体检”。

有人提出，可以在金属制造的过程中掺入一种叫作钛酸铅粉末的特殊涂料。这样一来，只需在敲击金属时，测量在其表面通过的电流大小，就能检测出金属的“疲劳”程度。除此之外，超声波、红外线、射线等也都能对金属进行“体检”。

后来，随着科学技术的发展，出现了名为“金属免疫疗法”的新技术。这种技术通过添加“金属维生素”，来增强金属的“抵抗力”和“抗疲劳性”。例如，在钢铁和有色金属里，加进微量的稀土元素，可有效抵抗“疲劳”损坏，延长使用寿命。此外，在金属构件上，尽可能减少薄弱环节，选用一些辅助性工艺来增加表面光洁度，也可增强金属的“抗疲劳性”。

金属“疲劳”是不是只能防范不能逆转？科学家们并没有就此停下探索的脚步。

2013年，美国麻省理工学院教授迈克尔·德姆科维奇发表了一项基于计算机模拟的新理论。他认为，在特定条件下，金属应该能够焊接封闭磨损造成的裂缝。这一理论，在桑迪亚和洛斯阿拉莫斯国家实验室联合运营的集成纳米技术中心得到了证明。

前不久，该项目团队的科研人员使用一种特殊电子显微镜技术，用来评估裂缝是如何在一块纳米级的铂金中形成和扩散的。

实验中，他们以每秒200次的速度反复拉动一片40纳米厚的铂箔，以观察疲劳裂纹的产生和扩展。起初，裂纹出现在金属片上并发生了扩展，但随后他们意外地发现，实验进行了约40分钟后，金属重新融合在了一起。

团队人员兴奋地表示，尽管存在种种未知，但这一发现仍是材料科学前沿的一次飞跃，称得上材料界的“破镜亦能重圆”！这一论断表明，金属可以“自愈”。

致力“再生”技能，应用前景广阔

虽然在此次实验中，研究团队看到的裂缝消失仅仅是纳米级的，但这次“破镜重圆”的实验，还是在一定程度上印证了以往科学界所做出的预测——金属可能真的具备自我修复能力。

自我修复，原本是指生物界在长期进化过程中获得的自我防御机制之一。人体组织损伤后，存活的健康细胞通过分裂和增殖，以取代死亡细胞、修复受损组织。而在金属中，修复因“疲劳”造成的“损伤”，更多的是靠金属晶粒边界的移动，实现了“自愈”的效果。

发现这一结论后，材料界的科学家们激动不已，并希望可以通过不断地探索和实验，让材料做出更多“我们意想不到的事”。

有业内人士指出，利用金属的自我修复能力，可以带动相关产业的发展，甚至可能引发一场工程革命。

实践中，经过诸多的探索和努力，目前已经有科学家制造出了一些具备“再生”能力的材料——

飞机在飞行过程中如果遭受撞击，更换受损的零部件将会产生高昂的费用。为了降低维修成本，瑞士推出了一种加入自修复剂的复合材料，使得受损部位获得“再生”的本领。当飞机外部出现损伤，只需利用便携式热空气喷枪，将受损部位加热至150℃，即可激活材料内部的修复剂。只需60秒的时间，受损部位便可在不改变材料原有结构的情况下实现自我修复，且材料的抗裂能力还会提升至原材料的1.3倍。即使目前仍存在一定的局限性，但在航空航天飞行器、舰船以及车辆装备等领域，这种具备“再生”能力的复合材料，依旧拥有广阔的应用前景。

一种由部分金属通过与其他特殊材料混合制成的复合材料，也以其神奇的“再生”能力逐渐应用于军事方面。参照人体血管的分布，有国外研究人员在材料制作过程中布满细小管道，并注入一种混合凝胶物质，使其可以如血液般在管道内流动。一旦材料破裂，凝胶物质会迅速流出，填补缺口并迅速变硬，达到修复的目的。据报道，目前该项技术已经在热塑性和热固性材料上通过测试，可在20分钟内使直径35毫米以内的“伤口”得以修复，修复后的坚固程度达到受损之前的62%。

作为一个全新领域，金属材料的自我修复行为已经为许多非常规应用打开了新的世界。目前，尽管仍面临着一些基础和应用问题，但金属材料所具备的“再生”能力，已经引起了越来越广泛的关注。

相信在不远的将来，可以“自愈”的金属不仅会在军事科研、交通运输等领域取得更大拓展，更将在节约能源和环境保护等方面产生更重要的影响。

上图：金属“自愈”过程概念图。

供图：阳明