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探索宇宙奧秘 · 理性思考
2026年2月25日,荷蘭萊頓大學(xué)。物理學(xué)家丹妮拉·克拉夫特和胡里奧·梅里奧在實(shí)驗(yàn)室里,親眼目睹了一個(gè)前所未有的景象:他們用比頭發(fā)絲還細(xì)十倍的小球搭成的微觀結(jié)構(gòu),竟然像有了生命一樣,自己折疊、展開,收縮、擴(kuò)張,如同一場無聲的微觀舞蹈。
這項(xiàng)研究發(fā)表在頂級期刊《自然》上。它可不是簡單地把東西做小,而是首次在微觀尺度上制造出了能夠自發(fā)、可逆變形的“力學(xué)超材料”。這為未來的智能材料、乃至能鉆進(jìn)血管的微型機(jī)器人,打開了那扇最關(guān)鍵的入門。
我們平時(shí)接觸的材料,其性質(zhì)主要由化學(xué)成分決定。鋼鐵硬,是因?yàn)殍F原子間的鍵結(jié)強(qiáng);橡膠軟,是因?yàn)楦叻肿渔溔菀桌臁?/strong>
但“超材料”走的是另一條路。它的神奇之處不在于“是什么”,而在于“怎么擺”。科學(xué)家像搭積木一樣,把微觀粒子排列成特定的幾何結(jié)構(gòu),讓整個(gè)材料展現(xiàn)出天然物質(zhì)不具備的特性。比如,讓電磁波“拐彎”的隱形斗篷,就是超材料的杰作。
萊頓團(tuán)隊(duì)的突破,在于把這種理念推向了極致。他們用二氧化硅小球作為“積木”,搭建出最關(guān)鍵的菱形單元。這些單元被剛性固定,然后再通過一個(gè)點(diǎn)連接起來,形成類似“籠目格子”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵來了:這些微觀“積木”不再需要外力牽引。它們自己就會(huì)動(dòng)。動(dòng)的能量,就來自周圍環(huán)境的熱能。在這個(gè)尺度下,熱運(yùn)動(dòng)不再是麻煩,而是驅(qū)動(dòng)材料變形的“免費(fèi)燃料”。一組菱形向右轉(zhuǎn),相鄰的組就向左轉(zhuǎn),整個(gè)結(jié)構(gòu)便像手風(fēng)琴一樣,有節(jié)奏地收縮和膨脹。
如果材料只是自己無規(guī)律地亂動(dòng),那還稱不上“智能”。真正讓這項(xiàng)研究“一葉知秋”的,是下一步:他們給這種自發(fā)運(yùn)動(dòng)裝上了“開關(guān)”。
團(tuán)隊(duì)引入了磁性微粒。這樣一來,整個(gè)超材料的結(jié)構(gòu)就能對外部磁場做出響應(yīng)。開關(guān)一開,磁場引導(dǎo)微粒排列,結(jié)構(gòu)收縮;開關(guān)一關(guān),熱運(yùn)動(dòng)重新主導(dǎo),結(jié)構(gòu)膨脹。
這意味著什么?意味著我們第一次在微觀尺度上,實(shí)現(xiàn)了對材料宏觀形狀的遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)控制,而且驅(qū)動(dòng)力來自于環(huán)境本身。
這就像你不需要用線去提線木偶的每一根關(guān)節(jié),只需要對木偶喊一聲“站起來”,它身體里內(nèi)置的微型彈簧和馬達(dá)就會(huì)自動(dòng)完成動(dòng)作。從被動(dòng)響應(yīng)到主動(dòng)執(zhí)行,這是質(zhì)的飛躍。
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看到這里,讀者一定會(huì)問:這么前沿的領(lǐng)域,我們中國科學(xué)家在做什么?
答案是:不僅在做,而且在很多細(xì)分方向上,已經(jīng)跑到了世界前列。這項(xiàng)荷蘭研究是基礎(chǔ)原理的突破,而中國的研究更側(cè)重于材料體系的創(chuàng)新和潛在應(yīng)用的探索,形成了強(qiáng)有力的互補(bǔ)。
在力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)與制備上,中國科學(xué)家早已深耕多年。例如,清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在宏觀和介觀尺度上,設(shè)計(jì)出了多種具有負(fù)熱膨脹、超輕高強(qiáng)等特性的超材料結(jié)構(gòu)。荷蘭團(tuán)隊(duì)的“籠目格子”設(shè)計(jì),其理論模型和力學(xué)分析,在中國的凝聚態(tài)物理和材料學(xué)教科書里,都是重點(diǎn)討論的經(jīng)典范例。
更重要的是向微觀和應(yīng)用的延伸。當(dāng)荷蘭科學(xué)家用膠體小球搭積木時(shí),中國科學(xué)家在用更豐富的材料“烹飪”。例如,國家納米科學(xué)中心、中國科學(xué)院化學(xué)研究所等機(jī)構(gòu),在利用DNA折紙術(shù)、嵌段共聚物自組裝來構(gòu)建精密納米結(jié)構(gòu)方面,成果斐然。這些本質(zhì)上就是更復(fù)雜、更精細(xì)的超材料構(gòu)建。
在微型機(jī)器人這個(gè)終極應(yīng)用方向上,中國團(tuán)隊(duì)更是捷報(bào)頻傳。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家能讓微型機(jī)器人爬坡、負(fù)重;清華大學(xué)和北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出由光、pH值或生物酶驅(qū)動(dòng)的微納馬達(dá),能在溶液中自主航行。這些微型執(zhí)行器,未來完全可以與萊頓團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種可變形“智能材料”結(jié)合,組成真正意義上的、能在人體內(nèi)執(zhí)行藥物輸送或微創(chuàng)手術(shù)的“微型醫(yī)生”。
可以說,荷蘭團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究,為微觀世界“自驅(qū)變形”提供了第一個(gè)完美的實(shí)驗(yàn)范本。而中國科學(xué)界在相關(guān)領(lǐng)域的深厚積累,確保了我們不僅看懂了這份“范本”,更有能力在下一階段的“實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用”中,拿出我們自己的解決方案。
這項(xiàng)研究的意義,或許可以用一句話概括:它證明了,在微觀世界里,我們可以像編寫程序一樣,通過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來“編寫”材料的宏觀行為,而驅(qū)動(dòng)程序的能量,就藏在周圍的環(huán)境中。
接下來,科學(xué)家們可以在這個(gè)平臺(tái)上“翻譯”更多超材料概念。比如,設(shè)計(jì)出在微觀尺度上具有負(fù)泊松比(一拉就變胖)的材料,或者能根據(jù)環(huán)境酸堿度、特定生物分子而自動(dòng)改變形狀的智能凝膠。
這不僅僅是材料科學(xué)的進(jìn)步。當(dāng)我們可以隨心所欲地構(gòu)建微觀世界的“變形金剛”時(shí),從新型傳感器、柔性電子器件,到能模擬生命組織的人工肌肉,都將迎來全新的可能性。
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