带有科幻色彩的柔性金属

你是否还记得电影《终结者2：审判日》中T-1000机器人的“液态金属”形态？它可以随意改变形状、穿越狭小缝隙，甚至在被击中后，伤口也能迅速复原。这样的流动性和重塑能力展现了柔性金属的某些特性，预示了柔性金属在未来的极致应用。而在《银翼杀手2049》中，柔性金属不仅应用于建筑表皮，可自动调节透光率、有保温性能，还是可穿戴设备的核心材料，在功能性之余提供了前所未有的舒适度。可以说，科幻电影中与高科技材料相关的暗示和想象，总能引发人们的无限憧憬。它与人类智慧的结合，似乎正在塑造更奇妙和不可预测的未来。

近年来，随着科学研究的不断深入，中国西安交通大学研发出一种叫做“双马氏体种子应变玻璃”的柔性金属材料，它的问世让科幻逐渐走向现实。这是一种怎样的材料？我们一起揭开这种带有“科幻”色彩的材料的神秘面纱。

既“强”又“柔”是怎样做到的？

科学家们一直梦想着发明一种完美材料，既有钢铁般坚硬的质地，又有塑料般柔软的特性。这一追求源于材料科学领域的一项基本挑战：通常情况下，高强度与高柔性被视为相互矛盾的特性，很难在同一材料中并存。

传统金属材料以卓越的强度著称，但在需要柔性和可变形性的应用场景中却显得“力不从心”。以航空领域为例，飞机机翼在起飞和着陆时需要展开，以获得足够的升力，而在高速飞行时需要收起，以降低空气阻力。这要求所用材料既能承受巨大的机械应力，又要具备良好的形变能力。另外，随着可穿戴设备和柔性显示屏技术的发展，柔性电子领域对材料的要求也日益严苛。理想的材料要轻薄、柔软、易弯曲，同时，不失强度和耐久性。这样的需求让传统金属材料的局限性进一步凸显——它们无法兼顾强度与柔性这两大关键属性。

“双马氏体种子应变玻璃”（DS-STG）合金让我们看到了希望的曙光。那么，这样神奇的材料是如何诞生的呢？研究团队精心设计了独特的 “三步热机械处理工艺”：第一步，先对商用钛镍合金进行大的拉伸变形处理；第二步，在300℃的环境下保温10分钟；第三步，再次进行小程度的拉伸变形处理。经过“三步法”产生的 DS-STG合金，是一种介于应变玻璃和马氏体之间的特殊状态。该状态下的材料展现出的超柔特性，借助了“双马氏体种子”和应变玻璃之间在外力下的相互转变以及多马氏体状态的异常弹性效应。该性能可以在零下 80℃至零上80℃的宽温域保持。DS-STG合金具有高达1.8 GPa的超高强度，远超众多现有的超高强度钢。10.5 GPa的弹性模量赋予它极佳的柔性，可以与许多有机材料媲美。令人惊叹的是，DS-STG合金能在接近8%的弹性应变范围内自由弯曲而不产生永久变形，强度与柔性的完美平衡让它可以被称为真正的柔性金属。

卓越性能带来无限可能

在材料科学领域，很多高科技材料凭借卓越性能脱颖而出，吸引了无数科研人员的目光。然而，这些材料的广泛推广和应用却常受到高昂成本和复杂制造过程的制约。以“高熵合金”为例，它具有出色的力学性能，包括高强度、良好的塑性和断裂韧性，是当前研究的热门方向。但遗憾的是，它的规模化生产难度大且成本不菲，特别是在采用激光熔化这样的增材制造技术时，需要对激光功率、扫描速度及气氛条件等参数进行精确控制，以确保材料的均匀性，避免产生缺陷。这无疑加剧了生产成本，限制了其大规模应用的可能性。相比之下， DS-STG合金的制造工艺经济实惠，“三步法”制备流程不仅省去了高昂的成本投入，使用的基础合金原料也普遍易得，完全能实现大规模生产。可以预见，DS-STG合金的经济性优势将使其在市场竞争中脱颖而出。

为了更深入地了解DS-STG合金的性能特点，研究人员精心设计了对比实验，将其与“弹簧钢”和“纤维增强塑料”在不同负载条件下的表现进行了比较。在轻微负载时，弹簧钢展现出了极高的刚性，而DS-STG合金的弯曲程度与纤维增强塑料相近。当负载逐渐加重至1.02kg时，弹簧钢虽发生了明显形变但并未断裂，而纤维增强塑料却在承受0.52kg的负载时就出现了断裂。只有“优秀选手”DSSTG合金在这两种负载条件下保持了良好的完整性，展现出卓越的强度和极强的柔韧性，这为它今后在多个领域发挥巨大的应用潜力奠定了基础。

在航空航天领域，该合金可用于制造能够根据飞行状态自动调整形状的变形机翼，提高飞行器的飞行效率和稳定性；在机器人技术领域，它可以作为超强人工肌肉的原材料，使机器人具备更灵活多变的运动能力；在医疗领域，它可用于制造能匹配人体组织变形的植入物，为患者带来更舒适、安全的治疗体验。

科技之光照亮未来之路

回望过去的科技发展历程，我们可以清晰地看到，每一次科技的飞跃都离不开新材料的发现与应用。以被誉为“新材料之王”的“高性能碳纤维”为例，它的强度能达到钢的7-10倍，密度却仅为钢的四分之一。这样的特性使其在飞机制造领域大放异彩，通过显著减轻飞机重量，实现了燃油的节省和能效的提升。同样引人注目的还有第二代“高温超导材料”，它有力地支撑了世界首条35千伏千米级高温超导电缆示范工程的成功运行，这一突破推动了电力传输效率迈向新的高度。此外，“超纯硅”“砷化镓”这两种材料的研制成功，更是为大规模和超大规模集成电路的诞生奠定了坚实基础，使计算机的运算速度从每秒几十万次飙升至每秒百亿次以上，开启了计算技术的新纪元。

DS-STG合金的研发是材料科学的又一次重大突破，更是人类智慧与创新精神的结晶。它克服了传统材料在强度和柔性之间的矛盾，将为未来的科技发展提供支持，给我们的生活带来更多便利与惊喜。伴随这种新型合金的逐步推广和应用，更安全、高效、智能的世界正在向我们奔来。

作者单位 西安交通大学前沿科学技术研究院