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有了智慧材料讓未來再也沒有「路平專案」

三采文化
有了智慧材料讓未來再也沒有「路平專案」

文/三采文化《人類大未來》

想像一下,若你擁有的物品可以自主感知、回應、移動、調節、變形、修復,你的生活將會變成什麼光景?以上所述,在未來都會一一實現。不需要人為施加外力,不是利用機器人或電子技術,這些固態物品自會發揮功能。在光線、溫度、濕度和外力的刺激下,這些物品會相應改變顏色、外觀、磁性等特質。智慧材料牽涉的範圍極廣,在我們有生之年,一定可以看到智慧材料融入我們的生活,包括飾品配件、人形機器人的結構材料、可管控室內溫度的變色屋頂,乃至可以自行打開的烘豆罐頭。

早在遠古大自然就有智慧材料

智慧材料並不是全新玩意,事實上,大自然早在人類發現之前便孕育出會向著太陽移動的植物,以及下雨時會闔起的松果。綜觀人類歷史,智慧材料屢屢可見,例如早在四千五百年前,吉薩金字塔上便運用了有自動修補效果的灰漿。然而直到一八八○年,科學家才真正認識智慧材料的特性。法國物理學家皮耶.居禮(Pierre Curie)和雅克.居禮(Jacques Curie)兩兄弟發現,大理石中常見的石英結晶經壓縮會生成電壓;一年後,兩人又證明了這個現象可以反其道而行,將電壓施加於石英結晶可使其收縮,並稱之為「壓電效應」(piezoelectricity)。一次大戰期間,能夠產生壓電效應的結晶首度用於聲納探測裝置,如今用途更為廣泛,諸如打火機、麥克風、時鐘、超音波造像設備都用得上。

居禮兄弟的科學突破讓材料學者、工程師和發明家都重新省思材料設計之道,進而發現了更多新型智慧材料。今日有數以百萬的專利發明都是因這些智慧材料而存在。廣義來說,智慧材料的功能分為六類:變色、感知、移動、溫度調節(加熱或冷卻)、自行修復、相變(結冰與融化)。智慧材料的應用並非僅見於科幻小說與實驗室內。我們平常就已經在使用若干智慧材料產品,像是會隨陽光增強而變暗的太陽眼鏡,還有倒入熱咖啡會變色的馬克杯。

 有了智慧型單車,以後再也不必擔心路面坑坑洞洞、輪胎爆胎或車子刮傷掉漆。多虧能迅速調節體溫和防風擋雨的衣物,騎乘單車更是風雨無阻。要是沒注意到時間,天黑了還沒回到家,車輪壓過道路時會持續發亮。萬一不小心摔車了,破損的智慧型衣料可以沿路自動修補。

 若想去遠方旅行,通常得搭飛機。未來的新型客機外型更像一隻飛鳥,可隨著氣流與氣壓變化外形,讓旅客享受更平穩舒適的飛航體驗。新飛機之所以能省油又迅速,全是智慧材料的功勞。以上種種令人興奮的描述,都來自未來智慧材料世界。

沒有輪胎破掉、鏽蝕的腳踏車 

現在的製造商刻意限縮產品壽命,逼使消費者反覆購買。像這樣有計畫地淘汰產品,甚至將產品設計得難以修復,都在鼓勵民眾不斷消費,養成用壞即丟的習慣。以腳踏車為例,雖然多數腳踏車都採通用設計,方便更換零件,不論哪個部分壞掉了,看起來都能夠徹底修復。但就算再怎麼愛惜腳踏車,騎久了也難免烤漆脫落、零件鏽蝕、輪胎破損,最後不得不淪落至垃圾場。幸好,智慧材料將解救腳踏車擺脫厄運。

具有自動修復效果的塗料含有球形微粒,一旦車體表面刮損,破裂的球形微粒會釋出樹脂修補劑,自動填滿刮痕。想讓輪胎也能自補破損,可在原料硫化橡膠下工夫,使其長分子鏈含帶電粒子(離子)。相鄰分子的電荷相反離子會彼此吸引,組成強離子鍵,使整體材料穩固耐用。就算分子因橡膠撕裂而兩相剝離,也會循電荷異性相吸的簡單原理自發重組離子鍵。現有的防爆胎在輪胎內層另塗有密封膠以防堵破洞,智慧型輪胎使用的則是可再三封起破口的單一成分。

把腳踏車停在戶外淋雨, 外露的零件很快就會生鏽,使金屬表面趨於鹼性。加酸顯色材料(halochromicmaterials)會隨著環境的酸鹼值變化而改變顏色,就像石蕊試紙一樣。最常見的例子是酚酞,一種弱有機酸,遇到鹼性物質就會變成粉紅色。只要使用含有這類材料的塗漆,小至腳踏車零件,大至鐵道橋梁,有助於在造成嚴重損壞前有效地辨識並處理初期鏽蝕,防微杜漸。

美國太空總署在抗蝕塗料的研究上更進一步,開發出來的智慧型塗漆不僅讓腐蝕現形,還含有特殊微型膠囊,會在鹼性濃度上升時釋出油性抑制劑,防止鏽蝕惡化。這種自動防鏽技術將大大影響一國經濟。在英國,每年光是和蝕鏽有關的支出就高達六百億英鎊,占國內生產毛額的百分之三左右。

也許我們很快就會看到壓電材料應用在街燈、路標和交通號誌,其動力並非來自傳統電力,而是來自車輛行駛的街道本身。當今最常見的壓電材料是人造陶瓷「鋯鈦酸鉛」(Lead Zirconate Titanate, PZT),它在擠壓下會產生電壓,因為其原子排列成不對稱的晶體結構。大多數人對於晶體的印象都是亮閃閃的寶石,但在材料學者眼中,固態晶體的原子相連成行、井然有序,排列出重複的立體樣態。

的確,寶石是晶體,金屬、陶瓷、冰塊、岩石和某些塑膠又何嘗不是由晶體組成。在大部分的晶體結構中,原子組合成對稱的重複單元,不管從後往前看,還是上下顛倒看,都是一模一樣。然而如前所述,壓電晶體的結構是不對稱的重複單元。一般來說,壓電晶體原子的電荷會正負相抵(亦即正電荷會被鄰近的負電荷抵銷)。但若擠壓或延展不對稱的重複單元則會造成原子移動,使得電荷無法相抵,於是這些重複單元的一側會帶著正電荷,另一側帶著負電荷。要是擠壓晶體內的上百萬個不對稱單元,就會生成足以測量的電壓,接上電路後就可以收集成有用的電力。把壓電晶體鋪排於柏油路面之下,車胎壓過去時就能使這些智慧材料發電。把電力儲存起來還可用於路燈照明。目前這類技術已進行過好幾項實驗,結果看來大有可期。我們甚至可以將相關技術應用在輪胎或鞋底,就能透過移動來發電。

讓路人、議員放心的路面與不怕摔的騎士

未來,坑坑巴巴的馬路將成為過去式,單車和機車騎士也好,地方議員也好,都可以放心了。智慧水泥材料可以偵測破損,自行修補。當水泥路面裂開,內層觸及空氣濕度或雨水時,內嵌的智慧材料就會受到刺激,將破口補起來。例如有一種以黏土為基礎的添加劑,內含休眠細菌與乳酸鈣。冰箱裡放太久的陳年乳酪表面常會有一層白色結晶,那就是乳酸鈣。當休眠中的細菌遇水活化,開始消耗乳酸鈣,同時分泌石灰填補破洞,以免洞越破越大。這種添加了細菌的水泥可用於道路、橋梁等基礎建設,在地震頻繁的國家應該特別好用。

當天氣變冷了,單車騎士需要能隨時調節體溫的衣物,最好騎車時能通風,平常穿又能保暖。解決方法就是能夠記憶形狀,並且加熱變形的聚合物,包括橡膠、塑料和蛋白質等。形狀記憶聚合物在一開始製造時便會設定「記憶」形狀,然後透過加熱暫時改變形狀再予以冷卻。當溫度達到變形溫度時,聚合材料就會「恢復記憶」。這種智慧材料可以記住每次加熱、冷卻後的形狀。服裝製造商可為單車外套的鬆軟內襯添加形狀記憶聚合物,冷天時,內襯會如睡袋那般留住空氣;要是人在運動時體溫上升,便可相應收縮,加強透氣。

同理,可靈敏察覺濕度起伏的聚合物則會遇水變形,乾燥時很硬挺,泡水就變得柔軟鬆弛。以此聚合物製成的衣料具有對濕度非常敏感的微型鱗片,在無水狀態下,鱗片會與布料纖維呈直角,使衣料透氣,遇到降雨則鬆弛變平,與纖維相互疊加,形成難以穿透的不透水層。

我們都知道,人的皮膚受傷後會自行癒合。騎單車發生意外跌撞時,這種自癒機能特別派得上用場。多虧了可自動復原的智慧型衣料,我們穿的衣服未來也可以有樣學樣,被撕破後還能自動修復。這類布料纖維包含了一種極為特殊的蛋白質,既可取自烏賊觸腳吸盤周遭的「牙齒」,也可在實驗室中合成。這種蛋白質能使小型撕裂處兩側的布料形成新的化學鍵,只要加點水分按壓不到一分鐘,裂縫就能重新密合。摔了一跤的單車騎士還沒騎到終點,破掉的褲子早就自動補好了,比修補破碎的自尊心更快、更簡單。

▶️撰文者簡介:安娜.普洛薩斯基(Anna Ploszajski)

白天是工程師暨材料科學家,晚上則致力於科學傳播。她經常以材料科學為主題表演單口相聲,擁有自己的播客節目,並且在《材料世界》(Materials World)等期刊上撰寫文章。2017 年贏得英國皇家工程院傑出青年工程師獎(Young Engineer of the Year),並進入全球科學最具規模的科學傳播比賽FameLab 的英國區決賽。閒暇時喜歡吹小號,正在鍛練游泳,目標是游過英吉利海峽。

 

 

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