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? 本報記者 李洋

在材料科技的漫長探索中，“既強(qiáng)且柔”始終是近乎理想的研發(fā)目標(biāo)：像鋼一樣承受巨力而不易斷裂，猶如塑料般靈活彎曲而不僵硬。這一特性曾被視為科幻構(gòu)想，直到應(yīng)變玻璃態(tài)合金的出現(xiàn)，讓夢想照進(jìn)現(xiàn)實。

“我們發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)狀態(tài)——應(yīng)變玻璃，它不僅是科學(xué)上的新奇現(xiàn)象，更重要的是它的獨特性質(zhì)使其在多個重大工程中展現(xiàn)出不凡價值，并有望在生物醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。”在近日舉行的甬江實驗室第三屆全球青年科技精英論壇上，甬江實驗室智能材料研究中心主任任曉兵以翔實的數(shù)據(jù)和豐富的案例，向與會者分享他在應(yīng)變玻璃領(lǐng)域的最新科研進(jìn)展與應(yīng)用探索。

撥開迷霧

破解百年科學(xué)“疑云”

應(yīng)變玻璃，是一種兼具晶體有序性和非晶玻璃相變特征的全新物質(zhì)狀態(tài)。該發(fā)現(xiàn)突破了百年來科學(xué)界對固態(tài)物質(zhì)的晶體-玻璃二元認(rèn)知基本框架，具有重要的科學(xué)意義。

“我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)變玻璃這種新物質(zhì)狀態(tài)，是從研究一個困擾科學(xué)界很久的問題開始，即金屬合金里的‘預(yù)馬氏體條紋相’到底是什么。這個現(xiàn)象1960年就在多種合金中被觀察到了，但一直沒人能說清它的本質(zhì)?！比螘员f，這朵“飄浮在百年馬氏體研究大廈上空的‘疑云’”，雖然今天已經(jīng)普遍被觀察到了，但卻無人能解釋其物理本質(zhì)。

關(guān)鍵的突破靈感來自一次乘飛機(jī)旅行的觀察。當(dāng)看到萬米高空中（-50攝氏度）的云層時，任曉兵意識到這些既非氣態(tài)、液態(tài)也非固態(tài)的冰晶體浮云，實際上代表了一種獨立于傳統(tǒng)三態(tài)（氣-液-固）的特殊物態(tài)。這個思考激發(fā)了他的靈感：晶體中的“預(yù)馬氏體條紋相”是否是一種基于晶態(tài)的“云”——一種特殊固體物態(tài)？

順著這個思路，他進(jìn)一步思考固體的兩種基本狀態(tài)：晶體和非晶體（比如玻璃）。晶體像冰，是液體（水）在確定溫度值狀態(tài)凝固而成，原子排列整齊；非晶體像果凍，是液體變黏稠后凍成，原子排列亂，而且能像拔絲地瓜那樣拉絲。那金屬里的“固體變固體”（比如馬氏體相變）會不會也有類似情況？普通的馬氏體相變就像液體變晶體，可以看成晶體中的原子圍繞平衡位置的無規(guī)振動（他稱此狀態(tài)為“應(yīng)變液體”）在某個“凝固點”以下整齊地振動到新的位置；那會不會有一種像玻璃一樣的狀態(tài)，上述“應(yīng)變液體”在降溫時的無序振動被逐漸凍結(jié)，就像固體里的“果凍”？

2005-2007年，任曉兵團(tuán)隊在世界上首次發(fā)現(xiàn)了一類奇特的“應(yīng)變玻璃態(tài)合金”，它兼具晶體的有序結(jié)構(gòu)和非晶體的黏彈性行為，并將其命名為應(yīng)變玻璃（strain glass）。它們通過兩個關(guān)鍵實驗證實這一發(fā)現(xiàn)：一是發(fā)現(xiàn)它雖是晶體但具有非晶體類似的黏稠性，二是發(fā)現(xiàn)它具有類似非晶能拉絲一樣的特性，這些關(guān)鍵實驗證實“預(yù)馬氏體條紋相”的確是一種基于晶體的特殊玻璃——應(yīng)變玻璃。經(jīng)過數(shù)年深入探究，團(tuán)隊提出了相關(guān)理論，這一發(fā)現(xiàn)開辟了固態(tài)物質(zhì)研究的新領(lǐng)域，為設(shè)計全新特性材料提供了可能。

剛?cè)岵?jì)

應(yīng)變玻璃獨特魅力

從專業(yè)角度定義，應(yīng)變玻璃是一種具有“晶體-玻璃二象性”的新型物態(tài)：在微觀上保持晶體長程有序結(jié)構(gòu)，宏觀上卻表現(xiàn)出典型玻璃特征（黏彈性、寬溫域轉(zhuǎn)變等）。

對此，任曉兵解釋說：可以用“晶體中的應(yīng)變浮云”形象比喻：就像藍(lán)天中飄浮的云朵（短程有序的納米馬氏體微區(qū)）與大氣（晶體基體）共存，這些“應(yīng)變浮云”賦予材料獨特的力學(xué)響應(yīng)特性；也可以把應(yīng)變玻璃理解成晶體狀態(tài)下的一種特殊“果凍”，它在微觀結(jié)構(gòu)上是晶體基體中分布著動態(tài)響應(yīng)的“活”納米馬氏體微區(qū)，物理特性上兼具寬溫域響應(yīng)（類似玻璃）和高強(qiáng)韌性（繼承晶體優(yōu)點）。

應(yīng)變玻璃的發(fā)現(xiàn)，對于凝聚態(tài)物理的發(fā)展，既拓展了固態(tài)相變理論，又為設(shè)計新型功能材料提供了新思路，可能引發(fā)對傳統(tǒng)物態(tài)分類的重新思考。與傳統(tǒng)材料相比，應(yīng)變玻璃最引人注目的獨特之處是其“強(qiáng)柔并濟(jì)”的特性。

任曉兵將其比作生活中的美食“拔絲紅薯”。他解釋道，應(yīng)變玻璃與黏稠態(tài)的糖在物理上是相似的，糖漿在凝固過程中并沒有明確的凝固點，而是在一個寬溫域下逐漸硬化，這不同于水結(jié)冰這類有固定凝固點的轉(zhuǎn)變。應(yīng)變玻璃合金的這種特性能夠提供寬溫域下的穩(wěn)定性能，這對于材料的實際應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。

出于對未來大規(guī)模生產(chǎn)的考慮，該團(tuán)隊選擇了一種商用鎳鈦合金作為基礎(chǔ)材料，這種合金具有高強(qiáng)度的潛力，而且在市場上容易獲取。他們首先通過冷變形的方法使其呈現(xiàn)高強(qiáng)度的應(yīng)變玻璃狀態(tài)，然后開始嘗試改變各個工藝參數(shù)，密切觀察材料強(qiáng)度和柔性的變化情況。

2024年9月，任曉兵團(tuán)隊在《自然》（Nature）雜志報道中提到的這種兼具鋼材強(qiáng)度與塑料柔性的“強(qiáng)柔并濟(jì)”合金材料，是應(yīng)變玻璃領(lǐng)域最新最前沿的研究成果，顯示了應(yīng)變玻璃的獨特魅力。它利用應(yīng)變玻璃在寬溫域?qū)ν饬Φ捻憫?yīng)特性，同時通過工藝過程對應(yīng)變玻璃的基體加入“馬氏體種子”進(jìn)一步加大材料對外力的響應(yīng)幅度，進(jìn)而獲得與高分子材料接近的超柔特性同時保持超高強(qiáng)度，實現(xiàn)了“既強(qiáng)且柔”的罕見特性。科學(xué)新聞雜志《新科學(xué)家》（New Scientist）稱該材料“可能催生諸多未來技術(shù)”。

任曉兵坦言，在研究過程中，團(tuán)隊也遇到過質(zhì)疑，一個常見的質(zhì)疑是：“你把普遍觀察到的‘預(yù)馬氏體條紋相’取了一個新名稱——應(yīng)變玻璃，這算是新發(fā)現(xiàn)嗎？”

對此，任曉兵團(tuán)隊的回答是：這是“知其然”和“知其所以然”的關(guān)系，就像普遍觀察到的自由落體現(xiàn)象和理解背后的萬有引力的關(guān)系。60年前開始大量報道的“預(yù)馬氏體條紋相/納米馬氏體”現(xiàn)象只是一個實驗觀察，但無人能解釋其物理本質(zhì)及起源，而他們發(fā)現(xiàn)它具有玻璃的基本特征則確立了它的物理本質(zhì)是晶體-玻璃二象性兩種矛盾狀態(tài)的對立統(tǒng)一體；而對該現(xiàn)象物理本質(zhì)的揭示則帶來利用該新物態(tài)設(shè)計研發(fā)全新材料的重大機(jī)遇，這是僅知道“預(yù)馬氏體條紋相”這個現(xiàn)象所無法達(dá)到的。

應(yīng)變玻璃的發(fā)現(xiàn)，除了突破傳統(tǒng)認(rèn)知框架外，對凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論發(fā)展也具有潛在影響。就像波粒二象性開創(chuàng)了量子力學(xué)，進(jìn)而催生了量子計算機(jī)等一系列成果一樣，應(yīng)變玻璃這一兼具晶體和非晶體特性的新物質(zhì)狀態(tài)，其發(fā)現(xiàn)也有望在未來推動相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的重大發(fā)展。

跨界賦能

為材料應(yīng)用打開新大門

應(yīng)變玻璃的發(fā)現(xiàn)，為材料科學(xué)打開了新的大門。這種材料的特性如同“拔絲紅薯”中的糖——沒有明確的凝固點，在寬溫域內(nèi)逐漸變化，從-100攝氏度到100攝氏度，甚至接近絕對零度（0K）的極端環(huán)境下，性能依然穩(wěn)定?！皯?yīng)變玻璃已在一些尖端技術(shù)中完成應(yīng)用落地。這些場景對材料的要求極為苛刻，既要在極寬溫域保持超大彈性與超高柔性，能通過溫度觸發(fā)實現(xiàn)大變形，又得具備超高強(qiáng)度，而應(yīng)變玻璃合金的特性恰好完美匹配這些需求。”任曉兵補充道，其他方向的應(yīng)用研發(fā)也在緊鑼密鼓推進(jìn)：無折痕超柔薄板、生物醫(yī)療用超柔導(dǎo)絲、基于應(yīng)變玻璃的減震器件等，都在從實驗室到實用化的路徑上穩(wěn)步前行。他還透露，未來這種材料有望拓展到人工心臟、人形機(jī)器人、人工肌肉等更廣闊領(lǐng)域，提供更多此前難以實現(xiàn)的技術(shù)可能。

如今，這種材料已從實驗室走向醫(yī)療、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用測試。胃鏡檢查給人們帶來的痛苦或?qū)⒊蔀闅v史，用它制成的柔性光纖器械，既能深入體內(nèi)又不損傷組織，讓醫(yī)療檢查更舒適。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的維護(hù)難題有望解決：葉片根部的緊固件采用這種材料后，通過8%的宏觀收縮實現(xiàn)“永不松動”，從熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)鎖定連接，徹底告別海上、山頂風(fēng)電的高危人工檢修，甚至好萊塢電影中機(jī)器人一拳擊穿墻壁的場景，也因它的超高強(qiáng)度與柔性結(jié)合成為可能：用它制成的人工肌肉，性能遠(yuǎn)超人體肌肉，卻能像生物組織般自然驅(qū)動。

甬江實驗室等研究機(jī)構(gòu)正全力推動其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化落地?！爱?dāng)前只是應(yīng)變玻璃應(yīng)用研究的開始，今后還有巨大的潛力有待挖掘，期待與工程界一起探討未來的應(yīng)用?！比螘员鴮ξ磥沓錆M期待：目前應(yīng)變玻璃研究主要集中在金屬合金中，而應(yīng)變玻璃從理論上不受具體材料限制，可以在陶瓷中實現(xiàn)，初步的研究發(fā)現(xiàn)它可以實現(xiàn)陶瓷的低溫增韌；還可以在具有電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)的材料中實現(xiàn)，這些材料與應(yīng)變玻璃的結(jié)合會實現(xiàn)超高的電致伸縮或磁致伸縮特性。

或許不久的將來，人們可以看到機(jī)器人如人類般靈活運動，飛行器機(jī)翼像鳥翼般自然伸縮，風(fēng)電葉片在無人維護(hù)下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，而其背后正是這種應(yīng)變玻璃態(tài)合金在默默發(fā)揮作用——用科技的力量，讓“剛?cè)岵?jì)”從想象變?yōu)楝F(xiàn)實。

其實，這種材料的意義，遠(yuǎn)不止于技術(shù)突破。當(dāng)它從實驗室走向生產(chǎn)線，從尖端領(lǐng)域滲透到民生領(lǐng)域，改變的不僅是產(chǎn)品性能，更是人類應(yīng)對極端環(huán)境的信心。那些曾經(jīng)因材料限制而擱置的構(gòu)想，正隨著應(yīng)變玻璃態(tài)合金的成熟，一步步走向現(xiàn)實。