突變產生的材料
????從生產標簽到加固路面，都能用上科學家們創造出來的奇異的新型材料 ????作者：Gene?Bylinsky? ????使用壽命長達半個世紀的電燈泡。穿上后就按腳型固定成型的鞋子。能把一部故事片儲存進一張CD的微型藍色激光束。包起公路高架橋構件以防生銹剝蝕的合成材料。 ????這是一些正在研制或者已經生產出來的令人驚奇的產品，科學家們正在開創一個按需定造各種材料的時代。科學家們開始從物質的原子構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？現代的煉金術士們正在借助超級計算機和自己的新知識，創造出具有各種奇特性能的材料。休斯電子公司（Hugues?Electronics?Corp.）負責研究和技術的高級副總裁阿瑟?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出來。”這些新型物質被用來制造從新型無線通訊器材到更強勁的汽車發動機等一系列產品。 ????當然，擺弄分子遠比Tinkertory?牌結構玩具要復雜得多。現代的煉金術士們也不是事事稱心如意。以名噪一時的隱型轟炸機為例：聯邦機構最近發表的一份報告說，隱型轟炸機外表的干擾雷達涂層，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20億美元的飛機大概還得需要配備帶空調的飛機庫。 ????材料學方面的按需定制的情況正在發生巨大的變化。幾年前，加里福尼亞大學伯克利分校的物理學家馬文?科恩（Marvin?Cohen）就預言，人類能夠合成一種碳氮化合物，硬度將超過鉆石。今天，已經合成出來了極少量的碳氮化合物，只是數量太少，還不夠用來測試它們的硬度。 ????科恩的工作向人們表明了，新的煉金術士們在用量子力學的抽象公式來具體地影響人類的生活。他利用計算機模型，探測原子在最基本狀態下的特點。這使他能夠預見到別人來曾見到過的新型材料的性質——從新的超導材料到類似鉆石的碳氮化合物。 ????在其它的科研機構里，科學家們試圖模仿自然，復制出像支柱絲那樣異常柔韌、象藤壺那樣有著極強的附著力、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構，對材料科學的進展進行了考察。 ????馬薩諸塞州坎布里奇，麻省理工學院 ????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 ????下圖所示的一團東西就是凝膠，一種由分子組成的松散而又有一定凝固力的混合物。吉露牌果子凍當然是最著名的凝膠。如果把凝膠加熱，聯結分子的鏈環很快就會斷裂，從而發生液化。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，然后恢復原狀。要做到這一點的關鍵，是使它們在擴張力和收縮力之間保持一種極其微妙的平衡。在特定狀態下，智能凝膠的分子結構可以呈排斥水分的狀態；但輕松地擔一下，就轉為親水狀態了。 ????智能凝膠已經得到了商業應用——用來制造高爾夫球的內底。足部體溫導致鞋底改變形狀，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膜。 ????研制智能凝膠工程的主要人物是麻省理工學院的物理學家田中豐一（Toyoichi?Tanaka）。田中發現了凝膠變化的原理，他還是麻薩諸塞州貝德福一家名為凝膠科學公司（Gel?Sciences）的共同創辦人，這家公司在開發基于凝膠的新產品方面獨樹一幟。 ????帕洛阿爾托，惠普公司 ????就發光二極管而言——不久，還有激光——藍是金錢的顏色 ????不同于其它的高科技領域，光電子學的第一上不進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，正在使體積小而功能大的藍色發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、綠色發光二極管和紅色激光二極管到處可見、發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機上。然而，制造能發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色發光二極管；加上其他顏色的發光二極管，人們可以制造出更大、更清晰的戶外屏幕、大型電視機和壽命長達50年的發光二極管燈泡。 ????藍色激光器發出的光線的波長，要比紅色激光器的光線短得多，因此，藍色激光器的作用可能要更大一些，例如，可以把CD上的信息容量擴大五倍。從目前科學家對新材料的掌握的情況看，藍色激光器的問世只是一、二年內的事。日本的阿南日羅化學工業社（Nichia?Chemical?Industries?of?Anan）可能會是第一生產商，因為它的雇員中有藍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，現在有了一個不算太新的競爭對手：塑料。朗訊技術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，生產出了可以儲存數據和進行基本運算的集成電路。 ????塑料電腦當然永遠無法永遠取代奔騰電腦，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：行李上的標簽牌、出入證、甚至雜貨架上裝麥片的盒子。當塑料電腦跟具有感應或能耐發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簽，除維生素的生產日期之外，還會根據所處環境的熱度、濕度，綜合計算出藥片的有效期。 ????要制造能夠導電的塑料，必須控制物體聚合物的長度，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，科學家們用的是化學合成物；將來，可以利用基因經過重新編程的細菌來大批生產電子聚合物。馬薩諸塞州大學的化學家大衛???特里爾（David?A.?Tirrell）已經能夠用E桿菌制造出有感應和能發出信號的聚合物。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 ????就超強纖維而言，蜘蛛仍然天下無敵 ????自然界的進化，先造出了超強度的材料；如今，“生化擬態”領域的科學家們試圖模仿和改進自然界事物。鮑魚的外殼是坦克車外殼設計師們的模型，而膠水生產者想超過藤壺，制造出比藤壺滲出的世上最黏的水底黏膠有著更強附力的黏合劑。就纖維制造而言，佛羅里達的金球蜘蛛當首屈一指。人類需要酸、高溫和工廠來制造堅韌的纖維，而蜘蛛吐出來的細絲在室內溫度下的水溶液中，其強度比鋼還要高。 ????康奈爾大學的研究人員想改變這種差距。為了取得蛛絲進行分析研究，他們養了一些蜘蛛，并從它們身上“抽取”細絲，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構。一般情況下，總有細絲會冒出來。這時候，研究人員就用小鑷子夾住細絲頭，并設法把細絲繞到一個旋轉的圓軸上。圓軸每分鐘可以卷出兩英寸多的蜘蛛細絲。 ????為了能解讀蜘蛛細絲的結構，研究人員還在蜘蛛的食物里加進了少許放射性物質。其目的是為了合成能夠產出比蜘蛛絲還要堅韌的纖維。首先，研究人員打算把細菌的基因重新編程，來生產纖維；他們希望最終能用植物來制造高強度纖維。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的生命線。 ????譯者：陳舒 相關稿件
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