翟萬銀

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那些堪當大用的“奇材”

翟萬銀

材料是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎。從某種意義上說，未來世界會變成什么樣，人們將過上怎樣的生活，都和材料的發(fā)展有著密切的關系。下面，我們來看看即將投入使用并可能改變?nèi)祟惿畹膸状蟆捌娌摹薄?/p>

新型甲骨——再續(xù)文明數(shù)千年

文字發(fā)明以后，人類將信息記錄在動物的骨頭上，形成甲骨文。甲骨文是鐫刻或?qū)懺邶敿缀瞳F骨上的文字。有趣的是，龜甲和獸骨的化學成分和分子結構與人體骨骼相同，都是羥基磷灰石。人類的活動常與事故和疾病相伴。為修復人體因各種事故、病損、脫落所造成的骨缺損，近20年來全世界有大量科學家投入研究，人工合成、修飾、加工羥基磷灰石，期望能解除傷者和患者的痛苦。由于天然骨的羥基磷灰石有特殊的納米結構，科學家需要合成納米級羥基磷灰石。在此基礎上，才能仿生制備有活性的人工骨，幫助骨骼迅速恢復健康。

中國科學院上海硅酸鹽研究所的科學家朱英杰教授，在用水熱法探索廉價、快速、大量合成羥基磷灰石的研究中，偶然發(fā)現(xiàn)得到的納米羥基磷灰石又細又長。當時朱英杰教授就產(chǎn)生一個大膽的設想，可否合成大量又長又細（保持納米級直徑）的納米線，像紙漿纖維那樣做成大片紙張呢？這樣醫(yī)生可以剪取任意大小、任意形狀的紙片，任意疊加厚度，方便輕松地修補奇形怪狀的骨缺損，也許可以就此解決羥基磷灰石臨床應用的最后一道難題。

于是朱英杰教授調(diào)整配方，輔以超聲波控制合成過程，終于合成長納米線，制造出羥基磷灰石紙。這種紙又白又軟，可折疊，不含任何有機成分，耐腐蝕，零污染。尤為奇特的是它不怕火，1000℃以上的火焰燒烤，上面書寫的文字也不會消失——這不是人類書寫的最好載體嗎？！

不過，這種羥基磷灰石紙暫時與人體細胞的“關系”不太好，細胞不太愿意待在紙上繁衍生息，為主人連接骨頭修復損傷。這讓朱教授頗感沮喪。不過，在發(fā)明了與甲骨成分和結構相同的新型書寫載體的成就面前，小小沮喪又何妨？要給后世，比如3000年后的人類，留下今人輝煌的文明，恐怕還是把信息書寫于現(xiàn)代甲骨——柔軟、耐火、永遠潔白的羥基磷灰石紙上更好。

二維膜——電子飛馳的超高速公路

如果你的手機充電幾小時后動不動就死機，或是熱得燙手，問題就出在承載信息傳輸?shù)碾娮拥碾s亂運動。電子每次互相碰撞一下都會產(chǎn)生熱。電子器件內(nèi)紛繁復雜的電路里，電子產(chǎn)生的廢熱必須及時地、迅速地傳導出去，否則就會損傷電路。

如果有一種材料在傳導電子的時候沒有任何阻力，不產(chǎn)生任何熱，也就沒有上述煩惱了。美國斯坦福大學的物理學家張首晟教授于2007年在世界上首次合成了一類叫拓撲絕緣體的奇特材料：內(nèi)部是絕緣材料，表面卻能導電，而且電子可以完全自由移動。不過，拓撲絕緣體上的電子傳導也不十分規(guī)矩，電子在材料的表面也時常做“回轉滑雪運動”，因而還會有散熱的煩惱。為解決這個問題，張首晟教授設法制作了一種特別的膜——單層錫原子膜。它只有一層原子構成，薄得不能再薄了，科學家稱之為二維膜。結果，電子們聽話了，乖乖地沿跑道直線前進。

不過，現(xiàn)在要大量做出真正的單層錫原子膜產(chǎn)品為時尚早，假如單層錫原子膜能做出來，實現(xiàn)表面100%導電效率，就會迅速應用于各種電子產(chǎn)品。張首晟教授說：“這一天，樂觀地估計要5年時間，客觀地估計要10年時間。”

蝦絲——橫掃世界的塑料終結者

無論你喜歡也好，不喜歡也罷，人類現(xiàn)在還擺脫不了對塑料的依賴。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纖維素制成的。雖然植物纖維素是自然界最豐富的有機高分子化合物，但它們價格高昂，科學家花了近半個世紀的時間努力改進技術以降低成本，也只能使植物源可降解塑料達到1%的市場占有率。

就在大家?guī)捉倚牡臅r候，甲殼素閃現(xiàn)了希望的光芒。甲殼素廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲等動物的外殼中，是地球上含量第二豐富的天然有機高分子。美國哈佛大學仿生工程研究所的英格伯和弗南德茲將甲殼素與蜘蛛絲蛋白結合，制成了不溶于水的纖維狀蛋白質(zhì)材料。我們姑且叫它蝦絲吧。

蝦絲擁有多項優(yōu)點：不會燃燒，有希望用作阻燃劑；堅韌度勝過其原材料甲殼素，還可通過調(diào)節(jié)含水量而調(diào)高或調(diào)低；可塑性堪比鋁合金，容易鑄模成型；蝦絲制作的東西容易降解，東西一旦用壞了，扔在潮濕的地方，幾星期后微生物就能將其變成一堆肥料。

英格伯和弗南德茲正在尋找投資，以幫助進一步降低蝦絲的應用成本。蝦絲如能在可塑性上更進一步，將令其他材料望塵莫及。于是，這對科研搭檔將目光轉向了殼聚糖——一種從甲殼素轉化來的成分。他們用殼聚糖改進的蝦絲為原料，以生產(chǎn)塑料制品的常用方法成功地制造了一副國際象棋，驗證了蝦絲的實用性。他們希望以此代替塑料，制造各種精致的日用品，如便宜的兒童玩具、各種瓶子、手機零部件等。

自我修復的高分子材料——能再生的材料

想象一下：汽車能自我修復刮痕，不需再次噴漆，不用織補沙發(fā)座椅；大橋不會老舊，橋墩和橋梁能自我翻新；飛機的機翼和機身能不斷自我更新，永不磨損和銹蝕，乘坐永遠舒適、安全。

這些夢想對于美國工程師斯科特·懷特來說，不算是遙不可及的夢想。他是最早研究具有自我修復能力的高分子材料的科學家之一。時間追溯到2001年，懷特研制了一種類似塑料的材料。它由很多微型膠囊構成，一旦某處出現(xiàn)裂痕或空洞，里面的微型膠囊就會破裂，向破損處釋放具有修復作用的試劑，使材料再次聚合，裂痕得到修復。懷特將這項技術產(chǎn)業(yè)化，做成涂層，用來保護各種設備，從橋梁到直升機旋翼，使其免遭惡劣環(huán)境的侵害。

真正商業(yè)化的自我修復高分子材料目前并不多見，不過，一些實驗室研發(fā)的新材料，已經(jīng)顯示出自我修復的潛力。一種叫聚六氫三嗪的高分子材料（PTH），既可以是固體，也可以是液態(tài)膠水，與碳納米管等超強材料化合在一起，可以替代金屬做汽車的零配件，也可以用來生產(chǎn)特殊的指甲油。這種指甲油女士僅需涂一次，以后就不用再涂，因為它不會褪色，不怕磨損。

目前絕大多數(shù)自我修復高分子材料只能修復很小的裂紋或凹痕，寬度大概100微米，相當于一根頭發(fā)絲的直徑。2014年初，懷特的研究團隊宣布發(fā)明了一種可修復3厘米寬裂痕的材料。這種材料內(nèi)布滿很細的管道，里面含有化學前體物質(zhì)：一種黏性物質(zhì)能迅速凝結而堵住裂縫，彈性高分子物質(zhì)則起到加固作用。目前這種材料實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)還有很長的路要走。不過，只要科學家努把力，再加上些研究經(jīng)費，10年內(nèi)有可能造出第一種實用的修復大尺寸裂紋的自我修復材料。

人工骨髓——白血病患者的希望

眾所周知，骨髓既是人體重要的造血器官，又是重要的免疫器官。骨髓從胚胎期第4個月開始從肝、脾接過造血的接力棒，到第5個月就基本成了造血中心。如此重要的器官，一旦發(fā)生病變，問題就很嚴重。白血病發(fā)病率居我國腫瘤發(fā)病率的第六位，大部分患者還是要依賴骨髓干細胞移植治療，而骨髓干細胞移植深為現(xiàn)代醫(yī)學所頭疼：尋找供體、配型、捐獻、控制排異反應等，每個方面都很復雜，而且配型吻合者寥寥。

德國圖賓根大學的科學家考慮，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢？這一想法的關鍵是模仿造血干細胞生存的復雜微環(huán)境，涉及特殊材料和特殊結構。骨髓中造血區(qū)域的骨頭高度疏松，類似海綿，這種環(huán)境不僅調(diào)節(jié)造血干細胞和骨髓細胞，而且能實現(xiàn)多種類型細胞之間信號物質(zhì)的高效交換。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬環(huán)境，又要模仿其他細胞（造血干細胞之外的）組成的軟環(huán)境。

研究人員在乙二醇液體中加入很細的食鹽，讓乙二醇聚合成半軟半硬的狀態(tài)，再放入水中使食鹽溶解，留下食鹽顆粒原來所占的空間，模仿出多孔如海綿的松質(zhì)骨結構。為了讓這個人工松質(zhì)骨更容易吸附細胞，他們在聚乙二醇上連接特殊的氨基酸片段，模擬細胞與松質(zhì)骨間的界面。最后，將造血干細胞和骨髓干細胞混合，一起種入人工松質(zhì)骨，組裝成人工骨髓。骨髓干細胞及其后代能分泌多種化學物質(zhì)，構成造血干細胞需要的化學微環(huán)境。經(jīng)過10天培養(yǎng)，一切如愿，造血干細胞的數(shù)量和比例大大提升。這種人工骨髓不僅為白血病的治療提供新思路、新希望，也為揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技術基礎。