http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2012-05-20
美国科幻电影《变形金刚》给人留下了深刻的印象，特别是其中的各种机器人身上可以随意变形的铮铮金属部件，以致有人畅想未来能造访地球的外星人一定是生物与机器相结合的超级人类。那么，在现实中，金属是否真的可以像皮筋一样伸缩自如，其会给科学发展和人们的日常生活带来怎样的变化呢？
身为金属可“记忆”
一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，压力消除后留下永久变形。1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状。在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够恢复到变形前的形状，这种现象就叫做形状记忆效应。具有形状记忆效应的金属一般是由两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMAS）。而研发出能够随着操作环境自发地调节形状变化的形状记忆合金一直是工程师的梦想。
1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍—钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40摄氏度以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似功能。而每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度，在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。
由此，科学家在镍—钛合金中添加其他元素，进一步研究开发了钛镍铜、钛镍铁、钛镍铬等新的镍钛系形状记忆合金；除此以外还有其他种类的形状记忆合金，如铜镍系合金、铜铝系合金、铜锌系合金、铁系合金等。
神奇的功能材料
由于这种“神奇的功能材料”具有诸多优异性能，为人瞩目，因而被广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。
1969年7月20日，美国宇航员乘坐“阿波罗11”号登月舱在月球上首次留下了人类的脚印，并通过一个直径数米的半球形天线传输月球和地球之间的信息。这个庞然大物般的天线是怎么被带到月球上的呢？就是利用形状记忆合金的特性，在高温环境下制作好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球。放置于月球后，在阳光照射下，达到该合金的转变温度，天线“记”起了自己本来面貌，变成一个巨大的半球，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。
近年来，针对地震所造成的破坏暴露了现有建筑结构面对强烈的地面移动时存在的脆弱性，美国乔治亚理工学院研究人员对形状记忆合金材料进行分析，了解其用于抗地震结构材料的潜力，并开发热力学和力学方程相结合的模型以了解形状记忆合金在强烈运动条件下的变化，由此，分析出形状记忆合金在不同建筑组件（电缆、钢筋、板材和螺旋弹簧）中对不同外界条件的反应，由此决定材料的最佳抗震特性。
作为一类新兴的功能材料，记忆合金在日常生活中的很多新用途正在不断开发，例如用它制作眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状；应用在女性胸罩内的钢丝合金在接触到体温后，可以回复至原来胸部的体形。而不久的将来，汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。
还要表现更出色
目前，一些市面上的形状记忆合金最高只能运行到温度约90摄氏度，还没有在较高温度下可变形的合金。据物理学家组织网近日报道，美国国家航空航天局（NASA）和中央佛罗里达大学的研究团队，在美国能源部橡树岭国家实验室利用散裂中子源探究一些特殊形状记忆合金在温度高至350摄氏度、甚至更热条件下仍可变形的内部机制，着眼于开发出未来在航空航天及日常情况下表现更出色的“变形金刚”。
研究人员使用“火神”（VULCAN）工程材料的衍射仪对形状记忆合金镍钛样品的微观结构和微观力学（如原子结构和原子级的行为）进行检测。这种仪器独特的多轴向负荷帧设计能够同时在张力、压缩和扭转下测试样品。NASA科学家奥斯曼说，中子散射可解释主导各种形状记忆合金变形行为的基本机制。其显示了材料在原子尺度下使用中微观变形的状态，这反过来又可控制散状材料的响应行为。研究人员一旦了解构造合金在使用中是如何进行适当的变形的，就可以决定哪种热机械处理类型可以给出材料所需的结构。“火神”中子衍射获得的微观变形的信息也将被用来开发计算模型以预测特殊合金在不同温度、载荷和其他变量的情况下将如何执行不同的方案。
NASA材料科学家桑托解释说，由于像在航空航天方面的应用需要尽量减少材料的体积和重量，无疑这正是一种完美实现途径。通过改变合金结构，可将这些材料设计成在遇到一个特定温度或压力时其立即被激发而响应。例如应用到飞机机翼上的襟翼，用带有形状记忆合金的襟翼替代由复杂液压系统控制的经典设计，其可自主随温度和气压的变化而改变，从而大幅节省成本。而这种替代也更可靠，因为由电子控制的液压技术存在许多故障点。奥斯曼补充道，但如果材料不稳定、设计不正确，运行也将会出现故障问题，这就是为什么要设计一套材料每次都可以准确、反复地完成运行。
该小组计划在下一步的实验中结合工作中使用的中子数据在NASA建立铀转化设施和其他设施，以及不同压力和温度条件下对形状记忆合金响应的信息数据库，并将利用这些数据所开发的组件和硬件移至现实世界中，以开发出更好的合金组件及适应性更强的技术。（记者 华凌 综合外电）
《科技日报》（2012-05-15 二版）