那些堪當(dāng)大用的“奇材”

翟萬銀

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那些堪當(dāng)大用的“奇材”

翟萬銀

材料是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。從某種意義上說，未來世界會變成什么樣，人們將過上怎樣的生活，都和材料的發(fā)展有著密切的關(guān)系。下面，我們來看看即將投入使用并可能改變?nèi)祟惿畹膸状蟆捌娌摹薄?/p>

新型甲骨——再續(xù)文明數(shù)千年

文字發(fā)明以后，人類將信息記錄在動物的骨頭上，形成甲骨文。甲骨文是鐫刻或?qū)懺邶敿缀瞳F骨上的文字。有趣的是，龜甲和獸骨的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)與人體骨骼相同，都是羥基磷灰石。人類的活動常與事故和疾病相伴。為修復(fù)人體因各種事故、病損、脫落所造成的骨缺損，近20年來全世界有大量科學(xué)家投入研究，人工合成、修飾、加工羥基磷灰石，期望能解除傷者和患者的痛苦。由于天然骨的羥基磷灰石有特殊的納米結(jié)構(gòu)，科學(xué)家需要合成納米級羥基磷灰石。在此基礎(chǔ)上，才能仿生制備有活性的人工骨，幫助骨骼迅速恢復(fù)健康。

中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的科學(xué)家朱英杰教授，在用水熱法探索廉價、快速、大量合成羥基磷灰石的研究中，偶然發(fā)現(xiàn)得到的納米羥基磷灰石又細(xì)又長。當(dāng)時朱英杰教授就產(chǎn)生一個大膽的設(shè)想，可否合成大量又長又細(xì)（保持納米級直徑）的納米線，像紙漿纖維那樣做成大片紙張呢？這樣醫(yī)生可以剪取任意大小、任意形狀的紙片，任意疊加厚度，方便輕松地修補(bǔ)奇形怪狀的骨缺損，也許可以就此解決羥基磷灰石臨床應(yīng)用的最后一道難題。

于是朱英杰教授調(diào)整配方，輔以超聲波控制合成過程，終于合成長納米線，制造出羥基磷灰石紙。這種紙又白又軟，可折疊，不含任何有機(jī)成分，耐腐蝕，零污染。尤為奇特的是它不怕火，1000℃以上的火焰燒烤，上面書寫的文字也不會消失——這不是人類書寫的最好載體嗎？！

不過，這種羥基磷灰石紙暫時與人體細(xì)胞的“關(guān)系”不太好，細(xì)胞不太愿意待在紙上繁衍生息，為主人連接骨頭修復(fù)損傷。這讓朱教授頗感沮喪。不過，在發(fā)明了與甲骨成分和結(jié)構(gòu)相同的新型書寫載體的成就面前，小小沮喪又何妨？要給后世，比如3000年后的人類，留下今人輝煌的文明，恐怕還是把信息書寫于現(xiàn)代甲骨——柔軟、耐火、永遠(yuǎn)潔白的羥基磷灰石紙上更好。

二維膜——電子飛馳的超高速公路

如果你的手機(jī)充電幾小時后動不動就死機(jī)，或是熱得燙手，問題就出在承載信息傳輸?shù)碾娮拥碾s亂運(yùn)動。電子每次互相碰撞一下都會產(chǎn)生熱。電子器件內(nèi)紛繁復(fù)雜的電路里，電子產(chǎn)生的廢熱必須及時地、迅速地傳導(dǎo)出去，否則就會損傷電路。

如果有一種材料在傳導(dǎo)電子的時候沒有任何阻力，不產(chǎn)生任何熱，也就沒有上述煩惱了。美國斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家張首晟教授于2007年在世界上首次合成了一類叫拓?fù)浣^緣體的奇特材料：內(nèi)部是絕緣材料，表面卻能導(dǎo)電，而且電子可以完全自由移動。不過，拓?fù)浣^緣體上的電子傳導(dǎo)也不十分規(guī)矩，電子在材料的表面也時常做“回轉(zhuǎn)滑雪運(yùn)動”，因而還會有散熱的煩惱。為解決這個問題，張首晟教授設(shè)法制作了一種特別的膜——單層錫原子膜。它只有一層原子構(gòu)成，薄得不能再薄了，科學(xué)家稱之為二維膜。結(jié)果，電子們聽話了，乖乖地沿跑道直線前進(jìn)。

不過，現(xiàn)在要大量做出真正的單層錫原子膜產(chǎn)品為時尚早，假如單層錫原子膜能做出來，實現(xiàn)表面100%導(dǎo)電效率，就會迅速應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。張首晟教授說：“這一天，樂觀地估計要5年時間，客觀地估計要10年時間。”

蝦絲——橫掃世界的塑料終結(jié)者

無論你喜歡也好，不喜歡也罷，人類現(xiàn)在還擺脫不了對塑料的依賴。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纖維素制成的。雖然植物纖維素是自然界最豐富的有機(jī)高分子化合物，但它們價格高昂，科學(xué)家花了近半個世紀(jì)的時間努力改進(jìn)技術(shù)以降低成本，也只能使植物源可降解塑料達(dá)到1%的市場占有率。

就在大家?guī)捉倚牡臅r候，甲殼素閃現(xiàn)了希望的光芒。甲殼素廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲等動物的外殼中，是地球上含量第二豐富的天然有機(jī)高分子。美國哈佛大學(xué)仿生工程研究所的英格伯和弗南德茲將甲殼素與蜘蛛絲蛋白結(jié)合，制成了不溶于水的纖維狀蛋白質(zhì)材料。我們姑且叫它蝦絲吧。

蝦絲擁有多項優(yōu)點(diǎn)：不會燃燒，有希望用作阻燃劑；堅韌度勝過其原材料甲殼素，還可通過調(diào)節(jié)含水量而調(diào)高或調(diào)低；可塑性堪比鋁合金，容易鑄模成型；蝦絲制作的東西容易降解，東西一旦用壞了，扔在潮濕的地方，幾星期后微生物就能將其變成一堆肥料。

英格伯和弗南德茲正在尋找投資，以幫助進(jìn)一步降低蝦絲的應(yīng)用成本。蝦絲如能在可塑性上更進(jìn)一步，將令其他材料望塵莫及。于是，這對科研搭檔將目光轉(zhuǎn)向了殼聚糖——一種從甲殼素轉(zhuǎn)化來的成分。他們用殼聚糖改進(jìn)的蝦絲為原料，以生產(chǎn)塑料制品的常用方法成功地制造了一副國際象棋，驗證了蝦絲的實用性。他們希望以此代替塑料，制造各種精致的日用品，如便宜的兒童玩具、各種瓶子、手機(jī)零部件等。

自我修復(fù)的高分子材料——能再生的材料

想象一下：汽車能自我修復(fù)刮痕，不需再次噴漆，不用織補(bǔ)沙發(fā)座椅；大橋不會老舊，橋墩和橋梁能自我翻新；飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身能不斷自我更新，永不磨損和銹蝕，乘坐永遠(yuǎn)舒適、安全。

這些夢想對于美國工程師斯科特·懷特來說，不算是遙不可及的夢想。他是最早研究具有自我修復(fù)能力的高分子材料的科學(xué)家之一。時間追溯到2001年，懷特研制了一種類似塑料的材料。它由很多微型膠囊構(gòu)成，一旦某處出現(xiàn)裂痕或空洞，里面的微型膠囊就會破裂，向破損處釋放具有修復(fù)作用的試劑，使材料再次聚合，裂痕得到修復(fù)。懷特將這項技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，做成涂層，用來保護(hù)各種設(shè)備，從橋梁到直升機(jī)旋翼，使其免遭惡劣環(huán)境的侵害。

真正商業(yè)化的自我修復(fù)高分子材料目前并不多見，不過，一些實驗室研發(fā)的新材料，已經(jīng)顯示出自我修復(fù)的潛力。一種叫聚六氫三嗪的高分子材料（PTH），既可以是固體，也可以是液態(tài)膠水，與碳納米管等超強(qiáng)材料化合在一起，可以替代金屬做汽車的零配件，也可以用來生產(chǎn)特殊的指甲油。這種指甲油女士僅需涂一次，以后就不用再涂，因為它不會褪色，不怕磨損。

目前絕大多數(shù)自我修復(fù)高分子材料只能修復(fù)很小的裂紋或凹痕，寬度大概100微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。2014年初，懷特的研究團(tuán)隊宣布發(fā)明了一種可修復(fù)3厘米寬裂痕的材料。這種材料內(nèi)布滿很細(xì)的管道，里面含有化學(xué)前體物質(zhì)：一種黏性物質(zhì)能迅速凝結(jié)而堵住裂縫，彈性高分子物質(zhì)則起到加固作用。目前這種材料實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)還有很長的路要走。不過，只要科學(xué)家努把力，再加上些研究經(jīng)費(fèi)，10年內(nèi)有可能造出第一種實用的修復(fù)大尺寸裂紋的自我修復(fù)材料。

人工骨髓——白血病患者的希望

眾所周知，骨髓既是人體重要的造血器官，又是重要的免疫器官。骨髓從胚胎期第4個月開始從肝、脾接過造血的接力棒，到第5個月就基本成了造血中心。如此重要的器官，一旦發(fā)生病變，問題就很嚴(yán)重。白血病發(fā)病率居我國腫瘤發(fā)病率的第六位，大部分患者還是要依賴骨髓干細(xì)胞移植治療，而骨髓干細(xì)胞移植深為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所頭疼：尋找供體、配型、捐獻(xiàn)、控制排異反應(yīng)等，每個方面都很復(fù)雜，而且配型吻合者寥寥。

德國圖賓根大學(xué)的科學(xué)家考慮，可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢？這一想法的關(guān)鍵是模仿造血干細(xì)胞生存的復(fù)雜微環(huán)境，涉及特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)。骨髓中造血區(qū)域的骨頭高度疏松，類似海綿，這種環(huán)境不僅調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞和骨髓細(xì)胞，而且能實現(xiàn)多種類型細(xì)胞之間信號物質(zhì)的高效交換。因此，研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬環(huán)境，又要模仿其他細(xì)胞（造血干細(xì)胞之外的）組成的軟環(huán)境。

研究人員在乙二醇液體中加入很細(xì)的食鹽，讓乙二醇聚合成半軟半硬的狀態(tài)，再放入水中使食鹽溶解，留下食鹽顆粒原來所占的空間，模仿出多孔如海綿的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。為了讓這個人工松質(zhì)骨更容易吸附細(xì)胞，他們在聚乙二醇上連接特殊的氨基酸片段，模擬細(xì)胞與松質(zhì)骨間的界面。最后，將造血干細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞混合，一起種入人工松質(zhì)骨，組裝成人工骨髓。骨髓干細(xì)胞及其后代能分泌多種化學(xué)物質(zhì)，構(gòu)成造血干細(xì)胞需要的化學(xué)微環(huán)境。經(jīng)過10天培養(yǎng)，一切如愿，造血干細(xì)胞的數(shù)量和比例大大提升。這種人工骨髓不僅為白血病的治療提供新思路、新希望，也為揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。