可编程材料技术

冯　睿

上海交通大学材料科学与技术学院

博士研究生

1　工作原理与性能

1.1　可编程材料工作原理

造物，是自古以来人类试图窥探“神之权柄”的象征，彰显了人类自身对于世界的认知程度。早在文艺复兴时期，近代科学家就已经开始了科学的研究探索化学合成和加工新的材料，对造物的执着贯穿着整个近现代科学发展的历史。然而在急剧变革的时代发展中，我们该如何更深层次地探索这一领域呢？可编程材料（programmable material）技术，顾名思义，就是可以向材料传导或者输入的数字电子信号（甚至可以是脑电波经过编译之后的信号）、热信号和光信号，材料根据输入的特定信号而被诱导作用，从而定向、有序地改变分子间的排布和分子间结构，甚至是破坏固有分子形态，产生超出原本属性的物理表现。这跟传统的材料制备和合成工艺有着根本上的区别，传统的大规模材料制备工业中，只能粗糙地，不能精确地制造出所需要的部件，工艺过程中不可避免地会让零件或者材料产生缺陷和变形或者功能和性质上的偏差，从而难以适应未来越来越严格的精细和高度定向的材料设计要求（航空航天与军事领域）。而可编程这个概念，则将计算机语言精细功能化、模块化、智能化的基础特征融入功能材料设计与制备工艺中，通过数控终端用自动化、智能化的汇编语言来实现对材料的进行定向地精确地光诱导、热处理、表面化学合成、修饰、刻蚀、电磁激发等各种物理化学处理（见图1）。

图1　可编程制备技术装置示意图

1.2　可编程材料的特点和优势

（1）精确化：由于科技的限制，许多要求在微观尺度（1 nm ～ 100 um）下进行加工或者制备功能材料的工艺远远达不到理论的要求，更不要说是工艺步骤中产生的绝对误差，无论是表面物理化学处理，还是微纳米结构材料的加工或合成，将有一种更加微小的，集成化的工具指导进行精细加工，在形状，物理化学性质等方面对局部都做到近乎理想情况的水平；另外由于计算机语言量化的特性，决定了在加工制备的过程基本不会有无意义的消耗。

（2）集成化：作为处于数字化工艺生产的终端的材料本身，在传统工艺上步骤分离的加工方式在这里将像现代硅基半导体芯片一样进行集成化，这种集成化不仅仅只是在将多步骤的工艺融合到一体一步的地步，并且不同化学物理的加工处理方式上也将统一到同一个基体内，连续化的工艺减少了不可预计的误差产生。

（3）模块化：对不同功能命令的模块化处理可以使使用者更加的方便简洁的通过界面来操作。

（4）智能化：由于未来计算机语言将具有明显学习特征，终端作为处理命令的一部分也将服从系统的智能特性，能够应对更加复杂情况做出正确选择，另外智能化的推进也将大大增强技术自我修复和弥补的功能。

图2　其中一种可能实现的多孔功能材料的可编程处理加工示意图

（5）工业化：以上的特点注定了该项技术具有可大规模工业生产的特征，并且在未来有更大拓展潜力。

2　应用领域与前景

就近期而言，电子技术和计算机智能化日趋腾飞的浪潮已经孕育出了可编程材料技术发展的土壤，将该领域的优势特征交叉到材料（金属、非金属、有机无机复合等）的研究和发展这个领域也给我们提供了一些新的思路。由于未来材料领域的发展方向将立足于微观领域和功能化领域，因此这种精细自动化的思考和技术将有助于材料领域的科研人员更好地去探索和应用材料本身的基础特性，这是一种工具化的思维。另外，该项技术亦非常利于与当今的材料基因组和微尺度下物理现象探究等重大项目相结合起来，使我们能够更加深入地探索和了解材料微观领域的本质。相信在不久的将来，人们基于对该技术的开发和利用和对材料更加本质的理解将最终能够开发出一种真正意义上的“可编程材料”（碳基硅基或更多），能够识别编译输入的光、热、电、磁等信号从来诱导自身进行相应的结构变化，以达到定向改造的功能为人类的未来社会服务。