如果材料也有“记忆”
2024-07-15 00:00:00王诗雨
科学24小时 2024年7期
不止人类和动物拥有记忆，没有生命的金属也有记忆能力。形状记忆合金（简称SMA）就是这样一种奇特的材料。在低温情况下，将SMA从A形状改变至B形状，对其加热后，这种材料的“记忆能力”可以让自己自动恢复到A形状。这种独特的记忆能力让SMA在医学、航天、汽车制造等各个领域大显身手。
SMA的“前世今生”
对于形状记忆合金的研究早在20世纪30年代就开始了。瑞典化学家阿尔内·厄兰德尔对金镉合金进行观察，发现了这种合金的“伪弹性”效应。换句话说，对金镉合金进行应力拉伸后，这种材料就像橡皮筋那样，会在某种状态下自发地恢复到未拉伸之前的形态，只不过恢复过程很缓慢。
20世纪50年代的一天，一位名叫威廉·布勒的科学家正在实验室里进行镍钛合金的熔炼。在熔炼过程中，一根被熔炼好并经过冷却的镍钛棒不小心掉在了地上，发出了一声沉闷的撞击声。凭借科学家的直觉，布勒意识到这种响声有异常！于是，他又将另一根熔炼好但还未冷却的镍钛棒扔在地板上，这次发出的却是如铃声一般的清脆响声。他小声嘀咕道：“这不应该呀。”按理来说，两根镍钛棒都经过了相同的熔炼过程，不论温度是多少，同一种材料与地面碰撞发出的声音应该都相同。“难道是我的熔炼过程出了问题吗？”布勒又反复试验多次，但都是同样的结果。
时间来到了20世纪60年代，布勒及其研究团队继续研究镍钛合金。在一次会议上，布勒将又细又长的镍钛合金反复折叠弯曲，并分发给参会的众人，目的是展示其优异的抗弯曲疲劳性。此次会议上，一位名叫戴维·穆齐的博士鬼使神差地将随身携带的打火机点燃，对着弯曲折叠后的镍钛合金条加热，令所有人惊讶的是，被加热后的合金条纵向延伸，恢复到了未经弯曲折叠之前的样子！布勒看到这番场景也十分震惊，结合之前“听声辨材料”的记忆，以及长年累月的研究成果，他敏锐地发现了镍钛合金的“记忆能力”。后来，人们将这种材料称为“镍钛诺”。
SMA的发现过程看似是一系列偶然事件的累积，但其实背后凝结着科学家们辛勤工作的心血。如果不是长期与镍钛合金打交道，那么布勒也难以注意到不同温度的合金棒撞击地面的声音有何区别。就像德国化学家凯库勒梦到“蛇咬住自己的尾巴”，从而提出苯环的结构简式一样，看似一切都是偶然，但偶然的出现也是一步步积累后的必然。
SMA为何有“记忆”
SMA之所以拥有记忆，是因为材料内部的马氏体相变。马氏体是金属材料中的一种组织，对SMA而言，其内部的马氏体拥有很大的“容错性”。对SMA施加应力（例如拉伸、弯曲等）时，内部马氏体会经过几种状态的变化，这个过程被称为“马氏体相变”。同样的应力施加到别的材料上，会发生位错或者塑性变形，导致该材料再也回不到应力施加前的状态，但是对于SMA来说，在低温环境下对其施加应力时，内部的马氏体会经历多种变化：从孪晶马氏体的弹性阶段到去孪晶阶段再到取向马氏体，最后再经历一次马氏体的弹性变形，整个过程中没有发生位错或者塑性变形。这时再对SMA加热，材料中的马氏体会通过相变转变为奥氏体（另一种金属组织类型），宏观上就表现为形状的复原。简而言之，SMA内部的独特结构让其对应力的施加有更多的容错率，它就像一块柔软的橡皮泥，虽然应力让它改变了形状，但是它仍然可以通过某种方式恢复到原来的样子。
SMA有三种记忆效应，分别是单程记忆、双程记忆和全程记忆。单程记忆效应是指合金在较低的温度下变形，加热后便可恢复变形前的形状，也就是只能记住一种形状。双程记忆效应则是在加热时恢复高温相形状，冷却时又恢复低温相形状，存在两种记忆。而全程记忆效应是在加热时恢复高温相形状，冷却时变成形状相同而方向相反的低温相形状。
需要注意的是，SMA的“记忆力”是有一定限度的。如果将SMA比作橡皮泥，那么当我们用火去烧它的时候，它会变得干瘪和龟裂，这是因为其内部的结构被破坏了，它也就失去了复原力。这里的“火”对于SMA来说，就是超出其承受范围的应力，当应力太大以至于破坏了内部的结构时，SMA的“记忆力”也就被破坏了。
SMA的应用
SMA独特的“记忆力”让它在各个领域大展身手，最典型的例子是用来制造人造卫星的天线。许多人造卫星的天线就像一口大锅，有着光滑的抛物面。这个抛物面是人造卫星的主反射面，用来接收或者发射信号。反射面越大，信号的接收或者发射效果就越好。如果将人造卫星的天线以初始形态运送到太空，那么不仅会挤占本就狭小的航天器的内部空间，而且极易在运输过程中发生碰撞，造成损耗。
那么，如何把这一口“大锅”从地面安全且高效地运送到太空中呢？研究人员想到了利用SMA来完成这一任务。研究人员先将记忆合金制成一个抛物面，然后在低温下将天线“揉”成一团，放入太空舱内。当人造卫星发射成功并进入正常运行轨道之后进行加热，被“揉”过的天线就会根据它的“记忆”，自动恢复到原来的抛物面形状。除了人造卫星天线，SMA在航空航天领域还被用于开发一种航天器的自适应性机翼。研究人员将SMA材料作为机翼的扭矩管，当被加热后，SMA扭转并提供驱动力来驱动折叠机翼展开或关闭。
同时，SMA在医学领域也发挥着无与伦比的作用。就镍钛合金而言，它所具有的这一特殊的“记忆能力”，与人体生物相容性极好，特别适合用来制成一些医疗器械。脊柱侧弯是一种令人痛苦的疾病，患者不仅体态奇怪，而且内脏也会因此而受到压迫。目前，脊柱侧弯的矫正大多采用的是不锈钢制的矫正棒，一旦受力过大，矫正棒就会被破坏，累及患者的脊柱，同时神经也存在受损的风险。随着使用时间的增加，矫正棒的矫正力还会慢慢降低到初始时的30%，这时就需要再进行手术来调整矫正力。这样反复的手术，会给患者造成肉体和精神上的极大痛苦。而采用镍钛合金制造的矫正棒只需进行一次手术进行放置。这是因为镍钛合金有“记忆能力”，如果矫正棒的矫正力有衰减，那么只需通过体外加热把温度升高到比体温约高5℃，就能够使其恢复足够的矫正力。
此外，SMA还可以用来制作心脏支架。对于心脏血管堵塞的患者来说，人工支架可以增加流向心脏的血液量。但因为心脏周围的动脉形状不规则，普通的支架难以百分百贴合血管，从而引起各种并发症。为此，科研人员利用SMA研发出自膨胀式人工支架。先将支架制造成稍大于血管直径的尺寸，然后在低温下将其卷曲并放置到预定位置，利用人体温度加热，支架便会自动膨胀，这样就能够保证支架贴合血管，其贴合度相较于普通支架增加了很多。
在日常生活中，也能见到SMA的身影。例如，用SMA制作的水阀可以防止浴室洗澡、厨房用水等情况下的烫伤，因为一旦水温过热，SMA便利用“记忆”功能驱动水阀自动关闭，从而达到防烫的效果。为了使汽车座椅更舒服，一些汽车制造商还用SMA制成座椅阀，依靠体温和背靠压力可以驱动座椅阀，使腰托完美地贴合司机或乘客的腰部。
不止是SMA
可以说，SMA是形状记忆材料的鼻祖，但随着近年来材料学的发展，形状记忆材料不仅仅局限在合金领域，在高分子聚合物领域中也有所建树。不同于SMA，形状记忆聚合物（简称 SMP）的“记忆”特性主要是因为其内部的两种不同的结构，即固定相和可逆相。其中，固定相主要起维持材料原始形状的作用，而可逆相则是用来固定材料的暂时形状，在材料转变温度附近发生冻结或软化。当改变一定的条件之后，可逆相又会恢复到最初的形态，从而发挥SMP的“记忆”功能。
随着科技的不断发展，形状记忆材料的家族定会不断壮大，为人类作出更多的贡献！
