智能材料正在成为我们未来的重要组成部分，在许多情况下，它们就在我们的鼻子底下(或上面)。日常生活中的例子从孩子的额头温度计到你的太阳镜框架。

儿童额头薄膜温度计是一种廉价和方便的工具，用于测量基于分层薄膜中材料表面反应的近似温度。但是是什么让它“聪明”呢?在温度计薄膜中分层和定位的颗粒是经过特殊选择的油墨和聚合物颗粒，它们根据表面温度改变其反射特性。由此产生的效果通过向用户提供一个视角来创建智能的外观。这些粒子单独对刺激进行特定的局部反应，这对粒子本身是基本的。在这种情况下，粒子的属性是它们根据温度改变其光学反射特性。这给用户一个明显的观点，即通过提供颜色和数字信息的温度读数，薄膜似乎变得“智能”。它看起来几乎是一种魔法，但实际上它是物理学。

我们每天使用的另一个智能材料的例子是通过使用形状记忆合金材料构建到我们大多数太阳镜框架中。当今使用的最令人惊奇和壮观的金属合金之一是镍钛(也称为镍钛合金)。这种材料的特性之一是能够在极端温度下编程金属结构的形状。产生的形状可以通过材料记忆通过重新加热物体到一个名义温度，这将导致粒子重新排列到原始编程形状。镍钛诺合金的其他用途是一种被称为肌肉丝的金属丝。这种金属丝的形状可以在加热时像肌肉一样有效地收缩长度。这种材料的另一个原理是导电。因此，可编程的刺激可以是电能的形式，并根据计算机信号执行运动。这对机器人和工业自动化的发展非常重要。

什么是智能材料?

那么什么是智能材料呢?人们普遍接受的定义是:“一种材料表现出一种或多种特性，可以通过外部刺激以可控的方式显著改变。”因此，你可以将这一定义概括为，我们每一件事、每一个人都是聪明的材料。但是，在今天的材料科学背景下，我们把我们的定义集中在不明显和壮观的地方。我想说明这一点，因为对奇观和常识的感知是一个不断变化的范围。在不久的将来，我们将发现控制分子的潜力，这是我们从未梦想过的。这方面的一个例子是基于DNA和蛋白质物质模型的不断扩展的发现。在我看来，我们都是通过DNA编码编程成为生物和人类的智能材料的壮观性质的例子。我们也不断地受到外界刺激的编程，对不断变化的情况做出反应和反应。事实上，我们获得了比以前更多的理解，但这并不会使这些已知的事实变得不那么壮观。

例如，17世纪伽利略温度计的发明清楚地显示了基于温度的运动粒子的最基本发现。这是一个基于物体密度和流体-物体位移的物理属性集的惊人成就。用户可以在独立的温度采集和显示设备中观察温度。在那个时代，这是一项真正令人惊叹的发明，直到今天仍然受到尊重。然而，在当今高科技的世界里，我们并不认为这是了不起的。

随着时间的推移，许多科学发现变得过时了，工业对曾经被认为是神奇和壮观的发明和发现的科学基础失去了兴趣。

另一个至今仍被广泛使用的科学原理的例子是基于温度的双金属位移原理。这种技术是世界上最简单的恒温器发明之一(图1)。两种不同金属的运动是由于每种金属在温度上具有不同的属性。净效应是通常称为双金属带的双金属组合结构的可预测运动。你可以想象一下，加热和冷却的双金属形状的运动可以连接到一个开/关开关，开关向上推是打开空调，向下推是关闭空调。这是过去一百年来几乎所有机械恒温器的基本结构。与这种“神奇”现象相关的一个有趣的注意是，在今天的现代世界中，我们并不认为这种解决方案是一种智能材料。我会让你问:“为什么?或者“为什么不呢?”我觉得答案是对现实的感知，我们喜欢新发现的东西。我们认为它是“神奇的”，因此也是“聪明的”。

那么，世界的发现方向是什么，我们应该寻找什么作为未来重要的智能材料?

• 聚合物
• 陶瓷
• 碳形式
• 混合动力车的代码

智能材料

聚合物化学的进步已经成为我们日常生活的一部分。长链水溶性聚合物润滑条的加入有助于剃须的行为和艺术，允许在每一次行程中重新应用润滑。明显的带状结构被认为是一块神奇的塑料大多数用户,因为他们只是湿表面,它不断地提供润滑在成百上千的剃须中风(图2)。聚合物分子链形式的物质形式,从加沙地带转移到皮肤,提供一个平滑的表面涂层刀片的浮动而切削表面去除多余的毛发,因此在剃须减少疼痛。

聚合物研究的进步也提供了创造特定分子特征或属性的能力，可以制造出各种状态或形式。一种可以变得“智能”的聚合物利用了热着色过渡态的特性(图3)。这种技术在前面的儿童温度计薄膜的例子中可以看到，但也可以用于产生颜色变化的物品，可以追溯到20世纪70年代的情绪环。在当今世界，我们可以利用这些特性使聚合物颗粒根据温度的升高或下降而变得透明。这可以用于创建多层标识，包括可以改变颜色或变得隐形的建筑材料。

另一种基于温度的智能材料是一种混合材料应用，它利用导电电流流直接在电池侧面直观地指示定量电能表(图4)。热致变色墨水可以与电阻膜涂层一起使用。显示屏会根据电池的电压而改变。能量必须足够创造一个比例电流流通过薄膜，以产生足够的热量显示100%满。电压越低，观察者看到的条形图就越低。智能粒子提供了一个没有计算机参与的电能表。

压电元件可以形成薄膜、晶片或晶体颗粒，可用作传感器，也可以成为执行器(图5)。基于在晶体表面提供的不同刺激的电压水平和极性，表面的物理特性可以被激活以移动。此属性可用于制作机芯、传呼机或扬声器。这种材料的另一个有趣的性质是反向运算也是可能的。这意味着扬声器的同一设备也可以作为麦克风或位移振动传感器使用。它也可以在振动过程中产生少量的能量以获得能量。

所有物质的原理之一就是宇宙中几乎所有地方都有某种程度的温度。这就带来了一个有趣的特性，叫做Peltier设备或热电冷却器。特殊硅结的主要功能是可以提供产生电流的电压势，材料属性在设备的一侧产生冷却效果，同时在另一侧产生加热效果(图6)。另一个引人注目的属性是，如果提供足够热量和delta温度的温度差，该设备也可以产生少量能量。另一个看似神奇的势能收集的例子。

有机led提供了通过材料结提供电刺激的能力，可以产生特定编程波长(或颜色)的光传输(图7)。这种材料进步的有趣之处在于，可以通过这种方式操纵粒子来创建非平面或柔性表面。这将演变成丝印电视屏幕和作为活动广告牌的喷绘数字标牌。

电子墨水薄膜是由电子可重新编程的粒子组成的网格，每个粒子小于100微米，可用于创建灵活的标牌、标签和屏幕显示。这种粒子的独特性质之一是，它们可以反射或吸收光线，并且在不需要动力的情况下永久保持这种状态。脉冲波形形式的电信号被用来激发粒子，使其进入黑色、白色或红色的离散编程状态(图8)。显示薄膜是灵活的，可以重新编程到像素级。颗粒也有分段和块模式，允许大面积改变颜色或热特性，如反射或黑体辐射热集热器。

热致变色聚合物颗粒可用于涂覆沥青瓦等表面，以允许基于温度的表面应用颗粒的颜色变化。图9显示了一个90°F触发编程粒子的示例，该粒子在夏季反射光线，在较冷的月份变成黑色，以便在冬季吸收热量。涂层的目的是允许修改现有的生产方法，同时提供各种颜色的混合物和图案。使用这种方法也可以创建其他建筑材料解决方案，包括内墙、天花板和台面。在某些情况下，材料本身可以注射成型或挤压，以提供功能性复合材料解决方案。

这些和其他智能材料的杂交正在进入其他材料，如油漆和涂料。这方面的一个例子是最近发现的被称为石墨烯的碳状态，它允许结构增强，可以与载体组分混合并生长在基片上。最终结果可以形成一个晶格结构，在结构上形成一个六角形网格，形成非常强的键。这种材料作为晶格的重要特性之一是导电的能力。这意味着传感器和计算设备的进步是丰富的。

智能材料研究中最令人兴奋的领域之一是碳形式领域，如富勒烯C-60 (Buckyballs)、碳纳米管(CNT)和石墨烯。图10显示了碳纳米管的悬浮液，当在生产中与适当的载体材料混合时，可以用作涂料、油漆或粘合剂。载体材料，如硅橡胶，环氧树脂和丙烯酸涂料可以提供晶格结构，增强弹性，抗冲击性和谐振容限，如阻尼性能。

碳添加剂的导电特性可以创造一种混合材料，可用于制造传感器和执行器，以调谐或去调谐共振振动。混合复合材料还可以通过电和/或热激励来改变硬度计和对冲击的响应。热加热模式可以通过在混合复合材料中传导电流来产生“分布式变暖”，从而创造解决方案，例如避免在寒冷中脆性载体材料的特性。

塑料和环氧载体可以根据应用形成和模压成战略形状，或利用基于材料位移战略生成的波形的物理振动特性。应用包括声音阻尼和主动噪声消除。柔性硅酮粘合剂，垫圈，垫圈和o形圈可以很容易地形成，以提供可编程的响应振动，压力，温度或其他电磁特性。可以创建外部动力的保暖填塞物，可以抵消玻璃表面上基于湿度的雾或解冻冷表面。

碳纳米管在载体的固化过程中形成连续的晶格结构，在整个混合复合材料中提供均匀分布的电网络。碳纳米管晶格结构的固有特性之一是能够吸收静电放电(ESD)，这可以破坏电子设备。这使得混合复合碳纳米管智能材料作为电气安全改进解决方案具有吸引力。碳纳米管涂层和灌封复合粘合剂等应用可以成为散热和能量放电表面增强的解决方案。

碳纳米管和石墨烯可以以互补的方式结构在一起形成晶格，可以形成电感觉网络，包括形成功能场效应晶体管(图11)。有了这种成为晶体管功能的智能材料的能力，我们进入了半导体研究的新前沿，使智能材料超越了壮观的感知，成为未来材料中真正功能强大的计算机电路。

结论

如今的智能材料可以以固体、粘合剂、涂料、油漆和液体的形式实现。它们可以提供刚性或柔性的解决方案，具有弹性和温度稳定性，同时吸收不良振动。这些功能在今天看来似乎很神奇，但总有一天它们会像恒温器一样标准。准备好迎接明天的特性和功能，它们将利用智能材料所包含的属性的好处。他们正在接管世界，这是一件好事。

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