含羞草是一種有靈性的植物,它的葉片對觸碰、溫度都十分敏感。外部刺激可以改變含羞草葉片內(nèi)部的水分分布,導致細胞收縮膨脹,進而影響其開合。如今,世界上有了一種特殊的“含羞草”,控制它開合的不是觸碰,而是磁場。這種“含羞草”也不是植物,而是由我國科學家研發(fā)的新型金屬玻璃制成。
近日,中國科學院物理研究所科研團隊在國際學術(shù)期刊《科學進展》上發(fā)表論文,介紹了這種“金屬含羞草”。它由金屬玻璃和其晶化物組成的復合材料制成,具有屈曲功能,三維結(jié)構(gòu)可開合。該論文作者,中國科學院物理所研究員白海洋告訴科技日報記者,這項被論文評審人稱贊為“富有創(chuàng)造力”的成果,出發(fā)點其實是科研人員“玩出來”的靈感。
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仿生是研究的交匯點
白海洋注意到,航天事業(yè)對可以自動開合的、平板式運輸?shù)牟牧嫌鞋F(xiàn)實需求。如果容器或裝置可以在太空中自主開合,將大大有助于太空運輸以及航天員作業(yè)?;谶@一設想,白海洋及其團隊對可以自動開合、變形的材料進行了探索。
在這一過程中,科研人員并沒有固守思維定式,把金屬材料制品的形狀局限在盒子等容器的范圍內(nèi),而是充分嘗試了植物、動物等其它形狀。這樣的嘗試又進一步給了研究者靈感,讓研究者獲得了許多新啟發(fā)。
“‘仿生’并不是我們研究的出發(fā)點,而是我們在探索過程中找到的交匯點。這個交匯點給了我們新的靈感?!卑缀Q笳f。
在機械等領域,仿生是一個熱門概念。但在以機器人研究為代表的大多數(shù)科研工作中,仿生的對象都是運動能力較強的人或動物,而非相對靜態(tài)的植物,金屬材料的“植物動態(tài)仿生”研究可謂別出心裁,具有很強的獨創(chuàng)性和探索性。
類似真正含羞草的開合原理
“金屬含羞草”如何開合?白海洋和她的學生李金鳳給記者做了演示:只要拿一塊磁鐵靠近“金屬含羞草”的中部,它就會自動閉合,把磁鐵拿開,“含羞草”又會張開。
“金屬含羞草”由金屬玻璃和其晶化物復合制成。金屬玻璃又稱非晶合金,是能實現(xiàn)形狀可逆變化的新型功能材料,具有優(yōu)異的力學性能。在經(jīng)過激光圖案化技術(shù)誘導處理之后,金屬玻璃發(fā)生了局部晶化,晶化區(qū)的密度和模量相對增大,使得金屬玻璃區(qū)和晶化區(qū)之間產(chǎn)生相應的尺寸錯配,導致內(nèi)部產(chǎn)生應力,從而發(fā)生屈曲現(xiàn)象。這種屈曲現(xiàn)象是可逆的、在彈性范圍內(nèi)的。由于是鐵磁性材料,它會被磁棒吸引從而產(chǎn)生開合動作。從原理來說,這和真正的含羞草葉片開合的原理是十分相似的。
研究團隊在實驗室還對新材料的性能進行了測試。他們發(fā)現(xiàn),在彈性極限內(nèi),鐵基金屬玻璃三維屈曲結(jié)構(gòu)的形狀變換由外部磁力控制可重復開合,甚至還可以通過外力重新成形或翻轉(zhuǎn)。這種仿生三維結(jié)構(gòu)被磁力控制連續(xù)開合至少2萬次,且不會出現(xiàn)明顯的疲勞裂痕。
或可在多領域廣泛應用
在各種醫(yī)療場景中,人們有時會需要一些具有伸縮功能的器件。例如血液過濾時在血管當中收納垃圾的器件,就需要具備伸縮功能,方便醫(yī)療人員放置和取出。為此,人們采用可以隨溫度變形的相變合金,這種金屬經(jīng)加溫處理可以收縮或膨脹,但加溫往往需要達到上百攝氏度。
“如果用磁場控制的金屬玻璃取代相變合金,加溫對患者可能造成的傷害就不存在了,醫(yī)療人員的操作也會變簡單。我們的‘金屬含羞草’就可以用于此領域?!卑缀Q蠼榻B說。
白海洋補充說,除了血管過濾器,這種金屬玻璃還可以用來制作血管支架、微夾持器等器件。此外,新材料還可以用于傳感器制造。
近年來,材料的三維結(jié)構(gòu)形狀變換在驅(qū)動器、傳感器、電感器、微電子機械系統(tǒng)、軟體機器人、電子、醫(yī)療和航天器件等方面展現(xiàn)出巨大的應用潛力。金屬玻璃的三維結(jié)構(gòu)研究已經(jīng)受到廣泛關(guān)注,但金屬玻璃仿生三維屈曲結(jié)構(gòu)的形狀變換尚有很大的開發(fā)空間。
白海洋總結(jié)說,此次研究對開發(fā)金屬玻璃的功能性應用具有重要的科學和技術(shù)意義,對實現(xiàn)金屬材料的三維屈曲結(jié)構(gòu)也具有啟發(fā)和指導意義?!胺律辈⒉皇茄芯康钠瘘c,也并非落點,卻給金屬材料的功能性研究帶來了許多啟發(fā)。這株“含羞草”可以拋磚引玉,一定程度上拓展金屬材料的應用空間。