那些堪当大用的“奇材”

翟万银



那些堪当大用的“奇材”

翟万银

材料是人类生产生活的物质基础。从某种意义上说，未来世界会变成什么样，人们将过上怎样的生活，都和材料的发展有着密切的关系。下面，我们来看看即将投入使用并可能改变人类生活的几大“奇材”。

新型甲骨——再续文明数千年

文字发明以后，人类将信息记录在动物的骨头上，形成甲骨文。甲骨文是镌刻或写在龟甲和兽骨上的文字。有趣的是，龟甲和兽骨的化学成分和分子结构与人体骨骼相同，都是羟基磷灰石。人类的活动常与事故和疾病相伴。为修复人体因各种事故、病损、脱落所造成的骨缺损，近20年来全世界有大量科学家投入研究，人工合成、修饰、加工羟基磷灰石，期望能解除伤者和患者的痛苦。由于天然骨的羟基磷灰石有特殊的纳米结构，科学家需要合成纳米级羟基磷灰石。在此基础上，才能仿生制备有活性的人工骨，帮助骨骼迅速恢复健康。

中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家朱英杰教授，在用水热法探索廉价、快速、大量合成羟基磷灰石的研究中，偶然发现得到的纳米羟基磷灰石又细又长。当时朱英杰教授就产生一个大胆的设想，可否合成大量又长又细（保持纳米级直径）的纳米线，像纸浆纤维那样做成大片纸张呢？这样医生可以剪取任意大小、任意形状的纸片，任意叠加厚度，方便轻松地修补奇形怪状的骨缺损，也许可以就此解决羟基磷灰石临床应用的最后一道难题。

于是朱英杰教授调整配方，辅以超声波控制合成过程，终于合成长纳米线，制造出羟基磷灰石纸。这种纸又白又软，可折叠，不含任何有机成分，耐腐蚀，零污染。尤为奇特的是它不怕火，1000℃以上的火焰烧烤，上面书写的文字也不会消失——这不是人类书写的最好载体吗？！

不过，这种羟基磷灰石纸暂时与人体细胞的“关系”不太好，细胞不太愿意待在纸上繁衍生息，为主人连接骨头修复损伤。这让朱教授颇感沮丧。不过，在发明了与甲骨成分和结构相同的新型书写载体的成就面前，小小沮丧又何妨？要给后世，比如3000年后的人类，留下今人辉煌的文明，恐怕还是把信息书写于现代甲骨——柔软、耐火、永远洁白的羟基磷灰石纸上更好。

二维膜——电子飞驰的超高速公路

如果你的手机充电几小时后动不动就死机，或是热得烫手，问题就出在承载信息传输的电子的杂乱运动。电子每次互相碰撞一下都会产生热。电子器件内纷繁复杂的电路里，电子产生的废热必须及时地、迅速地传导出去，否则就会损伤电路。

如果有一种材料在传导电子的时候没有任何阻力，不产生任何热，也就没有上述烦恼了。美国斯坦福大学的物理学家张首晟教授于2007年在世界上首次合成了一类叫拓扑绝缘体的奇特材料：内部是绝缘材料，表面却能导电，而且电子可以完全自由移动。不过，拓扑绝缘体上的电子传导也不十分规矩，电子在材料的表面也时常做“回转滑雪运动”，因而还会有散热的烦恼。为解决这个问题，张首晟教授设法制作了一种特别的膜——单层锡原子膜。它只有一层原子构成，薄得不能再薄了，科学家称之为二维膜。结果，电子们听话了，乖乖地沿跑道直线前进。

不过，现在要大量做出真正的单层锡原子膜产品为时尚早，假如单层锡原子膜能做出来，实现表面100%导电效率，就会迅速应用于各种电子产品。张首晟教授说：“这一天，乐观地估计要5年时间，客观地估计要10年时间。”

虾丝——横扫世界的塑料终结者

无论你喜欢也好，不喜欢也罢，人类现在还摆脱不了对塑料的依赖。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纤维素制成的。虽然植物纤维素是自然界最丰富的有机高分子化合物，但它们价格高昂，科学家花了近半个世纪的时间努力改进技术以降低成本，也只能使植物源可降解塑料达到1%的市场占有率。

就在大家几近灰心的时候，甲壳素闪现了希望的光芒。甲壳素广泛存在于虾、蟹、昆虫等动物的外壳中，是地球上含量第二丰富的天然有机高分子。美国哈佛大学仿生工程研究所的英格伯和弗南德兹将甲壳素与蜘蛛丝蛋白结合，制成了不溶于水的纤维状蛋白质材料。我们姑且叫它虾丝吧。

虾丝拥有多项优点：不会燃烧，有希望用作阻燃剂；坚韧度胜过其原材料甲壳素，还可通过调节含水量而调高或调低；可塑性堪比铝合金，容易铸模成型；虾丝制作的东西容易降解，东西一旦用坏了，扔在潮湿的地方，几星期后微生物就能将其变成一堆肥料。

英格伯和弗南德兹正在寻找投资，以帮助进一步降低虾丝的应用成本。虾丝如能在可塑性上更进一步，将令其他材料望尘莫及。于是，这对科研搭档将目光转向了壳聚糖——一种从甲壳素转化来的成分。他们用壳聚糖改进的虾丝为原料，以生产塑料制品的常用方法成功地制造了一副国际象棋，验证了虾丝的实用性。他们希望以此代替塑料，制造各种精致的日用品，如便宜的儿童玩具、各种瓶子、手机零部件等。

自我修复的高分子材料——能再生的材料

想象一下：汽车能自我修复刮痕，不需再次喷漆，不用织补沙发座椅；大桥不会老旧，桥墩和桥梁能自我翻新；飞机的机翼和机身能不断自我更新，永不磨损和锈蚀，乘坐永远舒适、安全。

这些梦想对于美国工程师斯科特·怀特来说，不算是遥不可及的梦想。他是最早研究具有自我修复能力的高分子材料的科学家之一。时间追溯到2001年，怀特研制了一种类似塑料的材料。它由很多微型胶囊构成，一旦某处出现裂痕或空洞，里面的微型胶囊就会破裂，向破损处释放具有修复作用的试剂，使材料再次聚合，裂痕得到修复。怀特将这项技术产业化，做成涂层，用来保护各种设备，从桥梁到直升机旋翼，使其免遭恶劣环境的侵害。

真正商业化的自我修复高分子材料目前并不多见，不过，一些实验室研发的新材料，已经显示出自我修复的潜力。一种叫聚六氢三嗪的高分子材料（PTH），既可以是固体，也可以是液态胶水，与碳纳米管等超强材料化合在一起，可以替代金属做汽车的零配件，也可以用来生产特殊的指甲油。这种指甲油女士仅需涂一次，以后就不用再涂，因为它不会褪色，不怕磨损。

目前绝大多数自我修复高分子材料只能修复很小的裂纹或凹痕，宽度大概100微米，相当于一根头发丝的直径。2014年初，怀特的研究团队宣布发明了一种可修复3厘米宽裂痕的材料。这种材料内布满很细的管道，里面含有化学前体物质：一种黏性物质能迅速凝结而堵住裂缝，弹性高分子物质则起到加固作用。目前这种材料实现大规模生产还有很长的路要走。不过，只要科学家努把力，再加上些研究经费，10年内有可能造出第一种实用的修复大尺寸裂纹的自我修复材料。

人工骨髓——白血病患者的希望

众所周知，骨髓既是人体重要的造血器官，又是重要的免疫器官。骨髓从胚胎期第4个月开始从肝、脾接过造血的接力棒，到第5个月就基本成了造血中心。如此重要的器官，一旦发生病变，问题就很严重。白血病发病率居我国肿瘤发病率的第六位，大部分患者还是要依赖骨髓干细胞移植治疗，而骨髓干细胞移植深为现代医学所头疼：寻找供体、配型、捐献、控制排异反应等，每个方面都很复杂，而且配型吻合者寥寥。

德国图宾根大学的科学家考虑，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢？这一想法的关键是模仿造血干细胞生存的复杂微环境，涉及特殊材料和特殊结构。骨髓中造血区域的骨头高度疏松，类似海绵，这种环境不仅调节造血干细胞和骨髓细胞，而且能实现多种类型细胞之间信号物质的高效交换。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬环境，又要模仿其他细胞（造血干细胞之外的）组成的软环境。

研究人员在乙二醇液体中加入很细的食盐，让乙二醇聚合成半软半硬的状态，再放入水中使食盐溶解，留下食盐颗粒原来所占的空间，模仿出多孔如海绵的松质骨结构。为了让这个人工松质骨更容易吸附细胞，他们在聚乙二醇上连接特殊的氨基酸片段，模拟细胞与松质骨间的界面。最后，将造血干细胞和骨髓干细胞混合，一起种入人工松质骨，组装成人工骨髓。骨髓干细胞及其后代能分泌多种化学物质，构成造血干细胞需要的化学微环境。经过10天培养，一切如愿，造血干细胞的数量和比例大大提升。这种人工骨髓不仅为白血病的治疗提供新思路、新希望，也为揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技术基础。