材料影响着人类生活的各个基本方面。我们的祖先利用新的材料制造工具来改善他们的生活环境，石料、青铜器、铁器时代标志着文明进步的关键阶段。现在，这种标志同样适用于材料科学领域中正在发生的彻底变革。科学家们利用超精确新技术，探索远小于亚微领域病毒的微观世界，希望能够解开原子之间相互作用的秘密；利用为适应微电子科学需要而发展的微观制造技术，现代化学家们对分子甚至原子进行重新排列，从头开始制造全新的物质。科学家正在制造“汽凝胶”——气态硅化合物，它的绝缘性能远远超过最好的绝缘体；具有足够的延展性、能够用于制造汽车和飞机发动机的陶瓷材料；具有人造“神经”和“肌肉”，能够像生物体一样对外界环境变化作出反应的复合物；在年销售量3000亿美元的电子行业中，新材料不断突破芯片和计算机的运算速度极限。所有这些进步，将会最终导致我们生活方式的改变。

材料领域这场轰轰烈烈的运动始于60年代，科研工作者们开始大量生产自然界不能提供的分子材料。合成方面突飞猛进的进步，引起了诸如包装、建筑、纺织行业的革命性变化。现在，运动员们使用碳纤维增固的高尔夫球棒，穿着能很好吸汗的聚丙烯汗衫和能够“呼吸”的防水茄克。科学家们对于高分子材料的结构是如何决定它的性能已有的丰富的知识，使得他们能够坐在计算机前根据希望的性能来设计材料，过去需要10年的产品开发周期缩短至3~5年。下面介绍的就是几个最前沿的材料领域。

工程材料

这领域中科学家追求的目标并不小于古代炼金术士将铅炼成黄金的梦想。科学家们要设计渗透到日常生活各个方面的新型结构材料——金属、复合材料、陶瓷。看上述这些作为很平常，但这些材料却能创造巨大财富。光是日本，预计在今后的10年中将使用价值900亿美元的上述材料。

陶瓷将会是一种非常的材料。陶瓷具有高强度且能耐高温，尤其适宜作为制造高温燃烧、高效喷气飞机和低污染汽车发动机的材料。但是陶瓷质地很脆，限制了它的使用。通过添加少量高分子纤维，研究者们正在开发柔韧的陶瓷产品。如果克服了陶瓷的缺陷，就可以给它的应用提供包括从制造更轻、更耐用的机器部件、超导导线到更坚硬切割工具的广阔范围。

一个历时15年，由美国国防部、宇航局和7个喷气发动机制造商共同资助，耗资60亿美元的计划，希望到2003年时，在不增加体积和重量的条件下，将飞机发动机的推动力提高到目前的2倍。现在的发动机材料为钛合金和镍合金，它们具有高强度和耐高温的性能，缺点是它们重量太大。使用新的合金材料后，研究者们已经将发动机的推重比提高了30%，将燃油效率提高了20%。这些新成果，将首先用于新一代隐形战斗机。研究过程中一个关键是要得到能耐高于800°F的合金材料。因为在超过800°F时，更多的氧气将进入发动机燃烧，大大提高了燃油效率。传统的喷气发动机金属钛，在该温度下将融化。研究者们将注意力集中于金属间化合物，即不通过化学键将不同金属原子混杂于同一晶体结构中。由钛、铝或镍、铝组成的超轻金属化合物，能够承受1400°F以上的高温。再在其中加入陶瓷纤维，得到材料的强度将是现在使用的、同等重量合金的3倍。

原子态材料

具有改良结构的材料是最实用的当前研究产品。科学家们并不满足仅对现有材料进行改性工作，他们试图创造、开发全新的材料，这些材料将推动电子及其它行业中的进步。阿贡国家实验室的科学家们正在试图将一种称为“晶体粒子”的原子簇物质加入高密度陶瓷或金属中。这相毫微相粒子的直径6于100纳米（1纳米相当于10亿分之1米）。普通金属或陶瓷粒子由百万到10亿个原子组成，而毫微相粒子只由几千个原子组成，当这些粒子在高压下挤压成固态物质时，就显示出特殊的性质。掺有该种粒子的高密度陶瓷，能够像塑料一样弯曲和成型。毫微相铜、钯金属的强度是它们大晶粒对应物的5倍。科学家们目前为止还不能确定毫微相物质作用的原理，据推测晶粒的大小起着重要作用。因为毫微相金属粒子具有非常紧密的堆积结构，破坏该结构需要很大的能量，所以具有特别的强度。

同时、日本的科学家正在抓紧研究一种称为“功能性梯度材料”的物质。这类物质由平常不相容的金属和陶瓷组成，在1000度温度范围内保持稳定，能耐3000°F以上的高温。科学家们知道由金属和陶瓷组成的“夹心”化合物具有弹性和耐高温性。但这类夹心化合物在热或机械应力作用下结构会被破坏，为了解决这个困难，日本的研究者们采用了诸如化学蒸汽沉淀法和粒子注射法来铺多重、超薄层，逐步使材料从100%的金属变到50%的混合物最后到100%的陶瓷。这样就消除了金属和陶瓷之间的明显界限，使它们能够很好地结合在一起。这类材料可用于加固航天飞机和制造原子能发电站使用的涡轮叶片。

智能材料

这类材料非常引人注目，科学家希望能够给这种材料装上人造“神经”和“肌肉”，使之具有原始的智力。这些改性了的陶瓷和复合物能够感知周围环境的变化，所以称它们为智能材料。密执安州立大学的科学家正在研究具有适应能力的直升飞机旋翼，能够感觉涡流并作出相应反应。美国空军正资助用于制造飞机机翼智能陶瓷材料的研究，在不同情况下，机翼能够调节形状以得到最大升力、安全性和最小耗油量。宾夕法尼亚州立大学的科学家正在开发用于制造潜艇船体的“隐形”材料，它能改变形状以减小水下涡流，以此来躲避声纳装置的追踪。

材料智能化的关键是：材料中加入非机械物质，使用能在不附加运动部件的情况下能够改变形状和物理状态。电子流变体就是这样一类物质，施加很小的电流后，该物质能够在几毫秒内从流体变成固体，将该种流体分散于陶瓷中制成直升和旋翼，装在外表面的传感器能感觉涡流和损伤，发出信号使旋叶变硬，从而消除旋翼的振动。这个概念的另一应用是一种称为“形状记忆”材料，它是一种镍－钛合金，加热时，能够“记住”并保持原来的状态。通常来说，当温度超过300 F，石墨加固的环氧树脂材料会失去其一半的硬度。如果加入“记忆”纤维，在高温情况下，如高速飞行过程中，石墨加固的环氧树脂可以保持其原形态。该类复合材料的强度是现有飞机制造材料的10倍。

仿生物材料

试图模仿生命是材料科学中最具革命性的研究方法。根据适者生存的原理，科学家们从自然母亲处寻求灵感，希望能模仿自然界中经淘汰后所提供的最佳形态。

华盛顿大学的科学家对鲍鱼壳非常感兴趣。鲍鱼是一种扁平、耳状的节肢动物，它的壳由二氧化钙组成，非常牢固，即使一个体重300磅的海滨流浪汉踩在它身上、外壳也不会破裂。它的相对高强度来自于组成结构中二氧化钙分子的独特排列方法，将它放在电子显微镜下观察发现二氧化钙分子排列成砖块形式，“砖块”之间再由一种天然高分子产物粘接，这与陶瓷复合材料的结构惊人的相似，以鲍鱼壳为模型，使用高科技新材料，研究者们已经合成出一种抗冲坦克装甲，它的强度是现用装甲的2倍并且能够更有效地承受能量。美国陆军正在劳伦斯利弗摩尔国家实验室试验这种装甲。

仿生材料的另一个重要用途是用作制造设想中的太空飞机的材料。这种飞机在地球低轨道上飞行，使得从纽约飞往东京只需2小时。它的载重量大于航天飞机，但为了达到合适的速度和高度，飞机本身必须有较轻的重量。科学家研究了高硬度、轻便的甲壳虫外壳后发现：甲壳虫可以通过它呼吸、隔热，并且它还提供了所有种类的感觉装置。这种能够隔热和感觉损坏的多功能性外壳对于太空飞机尤其适用。不仅如此，甲壳虫外壳还非常有弹性，在它断裂之前能够吸收相对巨大的能量，这种性质非常重要，因为使用复合材料制造机翼碰到的最大障碍是，当受到有限损伤后，复合材料会遭到灾难性破坏。自然界给甲虫设计了损坏控制机制。

常规复合材料经石墨纤维加固，所有纤维呈圆形，具有同样的直径。自然界的复合材料远较此复杂，由相互交错的纤维组成，往往这些纤维本身也是复合材料。这些纤维的形状也极不规则，从圆形直到椭圆形样样形态都有。人类刚开始试验这些复杂的结构，但这肯定是今后发展的趋势。

最终，设计材料研究的成果的影响在我们周围世界中将会变得非常明显。高速火车，更加坚固的建筑物、更像活肢体的人造假肢，所有这一切都带有现代炼金术的标志。从清洁环境到减少能源消耗，新材料将会对于解决当前社会紧迫问题发挥重要作用。总之，这是比使铅变黄金更崇高的目标。

[Business Week，1991年7月29日]