金属基泡沫：漂浮城市不是梦

□文/周文俊

图： 漂浮于海上的“自由之舟”效果图

泰坦尼克号曾是世界上体积最庞大、内部设施最豪华的客运轮船，号称“永不沉没的客轮”。然而不幸的是，首次出航便惨遭不幸，泰坦尼克号与一座冰山相撞，造成右舷船艏至船中部破裂，5间水密舱进水，仅两个半小时就沉没了。

泰坦尼克号残骸再现后，科学考察队采集了金属样本进行分析，结果发现导致泰坦尼克号沉没的关键细节：造船工程师只考虑到增加船体钢材的强度，没有想到要增加其韧性。为了增加船体钢材强度而往炼钢原料中增加了大量硫化物，也大大影响了钢材的脆性，最终导致泰坦尼克号沉没的悲剧。

一个多世纪过去，钢材改进了，但依然无法解决船只碰撞沉没的问题：2019年5月，一艘观光船和一艘游船在匈牙利多瑙河上相撞，造成28人遇难；2018年1月，巴拿马籍油轮与香港籍散货船在长江口以东约160海里处发生碰撞，21名船员弃船逃生。

生物漂浮的启示

找到一种永不沉没的金属该有多好，世界上就不会再发生船只碰撞沉没的事故了。科学家从自然现象中得到启发。

潜水钟蜘蛛通过建造自己的潜水钟进行呼吸，其原理是在水下织成圆顶状的网状结构，用充满疏水性的腿部和腹部从水面将空气带到结构中。火蚁可以在水中行走，用它们超疏水性的身体捕获大量空气，从而在水中形成漂浮的火蚁筏。

可漂浮于水上的金属基泡沫复合材料

这两个有趣的现象的关键启示在于，疏水表面能够截留大量空气。这对科学家们着手研发永不沉没的漂浮“金属”来说是重要的突破口。

金属自动“上浮”

把“超疏水”特性赋予金属，是否就可达到让金属在水面上漂浮的效果呢？理论上这是可以实现的，但必须解决两个实际问题：一是金属材料的选择，二是“超疏水”特性附加工艺的研发。

首先是选择金属材料，这种材料必须满足质轻、坚固、耐腐蚀等特性。研究人员瞄准了镁合金基复合材料。被选中的镁合金基复合材料，利用中空碳化硅颗粒进行加固，密度每立方厘米只有0.92克。相比之下，水的密度为每立方厘米1克。除了密度低于水外，这种镁合金基复合材料还具有足够的强度，能经受恶劣的海洋环境考验。

其次是制造工艺的研发。为了实现镁合金基复合材料的超疏水性能，研究人员用超高速激光脉冲在金属表面蚀刻出微尺度和纳米尺度的图案，截住大量空气，使金属拥有超疏水性。

这项技术来自深泉技术(DST)和纽约大学工学院一个研究小组的工作成果，发表于2015年。这种金属基复合泡沫材料如此轻盈，成型之初就成为汽车制造商们寻求的能够减重以改善燃油经济性材料的候选。

“挤干”表面水分

但是问题来了。水力摩擦作用下，材料表面复杂的图案逐渐磨损，不断降低材料使用的有效性。这些刻有微小凹槽的金属长时间浸泡在水中，凹槽中最终也会注满水而非空气，用这种金属材料建造的船只仍然沉没。

研究人员不得不寻求一种方法不断把水“挤干”。他们对超疏水金属表面进行升级，原本只对金属外侧进行处理，后来对平行放置的金属内侧也做了处理，两者形成封闭结构，避免外部磨损。金属板材之间保持适当的距离，足以防止水进入其中，以便截留足够的空气为金属结构提供浮力。

来自生物漂浮的启示

研究人员进行了专门的试验，证实这种金属材料即使破裂也不至于丧失浮力。他们在一个经过处理的直径1英寸金属材料上戳了6个3毫米、1个6毫米的孔，置之于水面上，金属结构保持上浮。实验证实了空气被困在尚未破裂的金属结构中。即使将这种金属结构压在水下两个月，压力释放之后材料立刻浮上水面。

建造漂浮建筑

这种复合泡沫材料的秘密始于镁基合金的制造。“金属具有承受更高温度的能力，所以具有作为发动机和排气组件复合材料的巨大优势，更不用说是用在结构部分上。”材料研发成员之一、纽约大学工学院的 Nikhil Gupta教授说。

这种让人惊喜的新材料不仅可用来建造救生筏、浮力服或船只等中小型物体，随着金属表面面积增大，材料承载力也越来越大。对比玻璃纤维或石灰石等其他与漂浮城市概念相关的建造材料，镁合金基复合材料更坚固耐用。

漂浮城市并不是一个新鲜的建筑构想，过去几十年中，它曾经反复出现。全世界每5个人中有2人生活在距离海岸线100公里以内的区域，10%的人口生活在海拔不到10米的沿海地区。建筑界一直希望能在海洋中建造人类定居点。

可浮于水面的金属材料的问世，是否意味着有一天，这种特别的金属材料将被用来建造漂于水上的巨型建筑？

化工让生活更美好，建造漂浮城市不是梦。目前，大量生产这种可漂浮金属的最大障碍是激光蚀刻耗时较长，一小时只能蚀刻1英寸见方的正方形面积。这个问题正由制造生产商解决。?