1 最轻材料冲破物质世界极限
材料，被视为人类文明的“开路先锋”并不为过，因为每一种有重要特性的新材料的诞生，往往会如闪电一样，划出一个新的时代。从亘古的石器时代、铜器时代、铁器时代，到现代的集成电子学时代、纳米时代，每一次人类文明的进步，背后都闪烁着“新材料”的熠熠光芒。
新特质的材料“横空出世”，它们背后蕴藏的巨大潜能让人不可小觑。
2011年11月，美国加州大学和加州理工学院的科学家共同开发出“迄今为止地球上最轻的材料”，密度仅0.9毫克/立方厘米，比泡沫塑料还要轻100倍，可以放在蒲公英的绒毛上面不会压坏它的籽。如果将它抛向空中，会像羽毛一样翩然落下——这不难理解，因为它的构成是约99.99%的空气和0.01%的固体，更厉害的是，它在被压缩超过50%后形态仍能完全恢复。主要研究人员、加州大学的工程师Lorenzo Wardwitt解释，这是进入纳米级之后，轻型材料发生的革命性变化。
通常，每立方厘米小于10毫克的材料被称为超轻材料，它们一般是气凝胶和金属泡沫，具有随机的微孔结构，在强度和硬度上都不及制造它们的原材料。但是，当材料尺寸小到纳米级，情况就会截然不同，其强度和硬度都会上升，结合这种性质，再修整微孔的排列结构，超轻材料的特性就会不断提升。例如，“最轻材料”就是由微小的中空金属管构成，其直径只有头发的千分之一，它们组成十字形对角线图案，中间留出一个小空间，正是这种创新的排列方式，让密度为1毫克/立方厘米的硅气凝胶从“第一”的宝座上跌落了下来。
虽就目前来说，超轻材料主要应用在隔音绝热、催化剂载体、震动能量缓冲等方面，但遥想未来的世界，如果能将“超轻”与其他更多理想性质的材料结合，肯定会在更多的领域中、更大的范围内显现头角。
美国佐治亚大学研究人员经过对物质结构的重新构建，也推出了另一种神奇的材料：它在阳光下暴露1分钟后，就可以发出在黑暗中持续两周以上时间的近红外光。
三价铬离子是一种著名的近红外光发射源，但发光时间只能持续几毫秒。研究人员巧妙采用了一种新矩阵的构建方式，设计出能够长时间储存能量的“迷宫陷阱”，将发出的近红外光“陷落”其中，便可持续产生两个多星期的超长发光时间。
该研究负责人潘正伟表示，这一发明可能为医疗诊断带来革新，例如它能与纳米粒子组配，附着在癌细胞上，可让医生“亲眼目睹”癌细胞的转移，为诊病带来极大的方便。此外它还能为军队提供“秘密”照明源，因为它的光只能通过特殊的夜视装置才能看到……如果发挥无穷的想象力，无穷无尽的用途一定能“沾上”它。
有“发光”的，就有“吸光”的神奇材料来和它遥相呼应。美国宇航局戈达德空间飞行中心的工程师们也成功研制出一种特种材料，它能实现对紫外线、可见光、红外线以及远红外波段光线超过99%的吸收率。而“吸光”新材料的性能一点也不逊色“发光”材料，它的出现有望开启太空探索的新境界。
反射测试显示，新材料将吸收性能提升了50倍以上，并且前所未有地实现了从紫外线一直到远红外波段光的全波段吸收，中心工程师Manuel Quijada自己对这个结果也挺惊讶：“我们知道它能吸收光线，但是我们没有料到它的吸收性能会这么好。”
在太空探索中，“吸光”新材料的一项重要应用就是杂散光抑制，应用在探测器中，能让科学家得以更敏锐地捕捉到到宇宙中极其遥远，其光线甚至已经微弱到在可见光波段无法察觉的天体的信号，使之前最让人头痛的“杂光干扰”最大可能地沉寂消失。小组负责人John Hagopian难掩兴奋之情：“这的确是一种非常有前景的材料。”
近期，各种性能强大的新材料的纷繁推出让人确实有些应接不暇。瑞士洛桑联邦理工学院纳米实验室主任Andras Cas就宣称，他们制成了世界上首个“辉钼”芯片原型。
“辉钼”是一种极具潜力的新材料，能制成尺寸更小、能效更高，并且具有“柔性”特质的芯片，性能不但远超过现在我们使用的硅，甚至在某些方面比鼎鼎大名的石墨烯更具优势，而且能赋予电子产品更多有趣的特性。例如，制成可以按照用户脸部的曲线进行弯曲“柔性手机”。而首个“辉钼”芯片原型的诞生，使原本处于“理论猜想”阶段的“辉钼”性能得到了实验证实，下一代半导体材料从此又添加了一个有力的竞争者。
不过，科学家对新材料的渴望还不局限于此，他们希望新开发的材料能够尽可能地满足人类的各样需求。英国科学家就在努力研究设计一种“十全十美”的聚合物，以期带来塑料工业的“革命性突破”。
塑料已成为人类日常生活中最亲近的材料之一，但其不可降解的“垃圾”特性亦使其成为人类的第一号敌人。由英国利兹大学雷阿德（READ）博士领导的一个国际团队经过多年的努力，利用编码组合的方式，拿出两组数据：第一组数据设计塑料的“可降解”特性，第二组将这种塑料的形状和特性设计出来。利用这一方式，科技人员就可以先“设计”再“生产”，即新型的塑料一定要先具备“可降解”的特性才可能出现在产品中，兼顾起化学工业和保护环境的双重利益，达到“皆大欢喜”的结果。
材料科学是人类文明的奠基石，“材料科学一小步，人类文明一大步”，当科学家已经开始能在分子、甚至原子水平上重新组合新物质时，意味着色彩斑斓的材料世界已举步跨向一个全新的时代，也许此时，人类对于这个世界的新概念与新认识亦将开始拓展，未来的概貌就在我们的智慧和思想中。
2 “神奇材料”续写新的科学奇迹
“获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续平常生活。”
因制备“神奇材料”石墨烯而荣获2010年诺贝尔物理学奖的英国曼彻斯特大学教授Andre Konstantin Geim的这段获奖感言，每每被提及，都会触动人们内心对科学最敬重的情感。而Geim也确实正在将自己的言语付诸实践：他和同事在2011年4月15号的美国Science上报告说，他们发现了石墨烯的另一项神奇的性质——能有效传导电子自旋，有望成为下一代基于电子自旋的电子元件材料。
目前的电子元件工作的基础，基本上都是利用电荷的传导能够形成电流的原理。然而，如果利用电子另一种被称作自旋的性质，可制造出比现有电子元件更小、更快的电子元件，这已成为物理学界最热衷突破的热点技术之一。但是，寻找能够有效传导自旋的材料却一直是个棘手的问题。现在，Geim的报告燃起了更多的希望：如果给石墨烯施加一个特殊磁场，就可以在其中实现电子自旋的传导，而且在石墨烯中产生的“自旋流”比在其他一些材料中更强烈，并且更易控制。
这一发现无疑为“神奇材料”石墨烯续写了新的科学奇迹。石墨烯只有一层碳原子的厚度，不仅是已知材料中最薄的一种，还具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，刚制备成功，就以极其优良的特性激起科学界巨大的波澜，6年之后（这可是不同寻常的“短时间”，通常诺贝尔科学奖项都是在获得成果十几或几十年后才颁发），Geim与同事就因此获得了诺贝尔物理学奖。而Geim此次再接再厉的努力，也许会使现代电子科技领域引发新一轮的“自旋”革命。
新材料常常带有令人匪夷所思的特性。例如，一种可以“捕获彩虹”的构造材料。
纽约大学电学工程副教授甘乔强和同事利用“彩虹陷阱效应”，开发出一种名为纳米等离子激元的构造材料，能将多个波长的光“陷落”在单个芯片中。甘乔强解释说：“光传播的速度非常快，但我们的材料能将多个波段的光速大大减慢，就好像我能用手抓住它一样。我们已经捕获了从红到绿的光谱，现在致力于捕获从红到蓝更宽波段的光，希望能捕获整个彩虹。”
原来，“捕获彩虹”就是一种“慢光技术”，由于光子不带电荷，科学家难以直接对它进行操控。如果能让急匆匆往前赶的光减慢速度，以至于完全“停”下来，则意味着科学家能按不同波长妥善操控调制“光数据”，将会为令人向往的“光数据存储”打开新的大门，而一直踯躅不前的“光子计算机”也会突破最大的技术瓶颈，向实用性迈出新的一步。
续写科学奇迹的亮点不仅仅发生在材料领域中。在世界上首个“人造心脏”问世后，英国爱丁堡大学的科学家又在实验室中利用人的羊水和动物的胚胎细胞，培育出了“人造肾脏”。新的肾脏长0.5厘米，科学家希望，这种人造器官移植入人体后能成长为全尺寸的器官。
人类对器官的需求与日俱增，使用干细胞制造器官技术被看做干细胞技术的“圣杯”，它有望让需要接受器官移植的病人按需“培育”出自己的器官，在移植手术中规避发生排斥反应的风险，并减弱器官移植的伦理道德争论。该研究的领导者生理学家Jamie Davies希望：胎儿出世之后，医生能将羊水收集并储存起来，就可以用这些羊水制造出匹配的肾脏。他补充说：“同让肾病患者在几年内不断接受透析相比，将患者的少数细胞冰冻起来更划算。”Davies预计新技术将于10年左右应用于人体。
在病人极度渴望的眼神中，续写干细胞奇迹的故事在不断上演。据英国《每日电讯报》2011年4月6日报道，日本科学家首次用干细胞培育出了视网膜。日本研究人员在试管培养的胚胎干细胞中添加了一种特定的蛋白质，其居然在10天内自发长成了类似发育中的胚胎眼的结构。科学家表示，这些干细胞经过进一步培养后，若能生成完整的视网膜，就能移植到失明和视障人士的眼睛中，使他们重见光明。和“人造肾脏”技术一样，科学家也希望10年内可以开始对人进行视网膜移植的临床试验。
而在新能源领域，太阳能电池近日也续写了令人惊喜的进展：IBM公司开发的“超高效聚光型太阳能光伏电池”，本来的想法是利用注满水的微型管道来冷却电池，无意中却发现这一过程中产生的热水可进行脱盐。用一种方法，居然可以同时解决两个世界性的最重要的问题：发电和提供清洁水源。对于我们这个能源需求旺盛、淡水资源又极度匮乏的星球来说，没有再比这更好的消息了。
现代科学每天都在取得发展，然而每一个小小的进展都来之不易，不仅是体力和智力的执著考验，更是心性千回百转的跋涉。在曾经的科学辉煌成果基础上，科学家要继续上路，躬身耕耘，沉潜反复，尤为难得的是要超越自己，以已有的成果作为起点，将曾经的高峰作为平川，在执著中创新，才能攀爬新的高度，造福整个人类与地球。
3 让未来眷顾的智能材料
如果看过美国超级科幻大片《终结者2》，一定会对那个能在液、固两态之间瞬间切换的机器人T1000记忆犹新：它能在通过铁栅栏的时候能把部分身体变成液态，从而悄然无息地潜入任何地方，手可以随意变为尖刃等极具攻击性的武器，烈火焚烧后安然无恙，中弹之后也能够立刻恢复原状，其独特的生命特征堪称机器人世界中的“经典之作”。
现在，T1000已经不单单存在于科幻片中了，来自德国和中国一个联合研究小组已为人们带来了制造T1000机器人的雏形材料。
德国汉堡大学和中国科学院金属研究所共同开发出了这种神奇的纳米材料：如果按一下按钮，它在几秒钟内就能改变自身的强度，从坚硬易碎到柔软而有韧性，整个质变过程由电信号来控制。
研究人员将这种新奇材料称为“金属水联体”，其研发过程是，将贵金属材料如金或铂放入酸溶液中腐蚀，形成微小的管道和孔洞；然后将一种纳米结构材料灌注到整个孔道框架中，使每个微孔都充灌满了可导电的液体。当有外加电流时，金属表面原子键会加强，变身“刀枪不入”的硬金属，而切断电流后，材料就会变得如橡皮泥般柔软，“金属水联体”目前还处于基础研究阶段。
研究者之一、德国汉堡大学材料物理与技术学院教授J■rg Weissmüller认为，这是一个巨大的进步和转折点，其未来是制造能自动将一些裂痕瑕疵修复平整的高性能智能材料，即相当于“被破坏后能够自我还原，损失了可以再造，受伤或中弹后会自动闭合伤口”的T1000超级材料。
“金属水联体”这种具有类似于生物的各种功能的“活”的材料，代表着材料科学中的最活跃方面和最先进的发展方向。为了对它有更深刻地理解，让我们重新温习一下智能材料的7大功能，传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。现在，为了制造更加“随心所欲”的智能材料，科学家正在做着各种知识与实践的准备。
当坚硬的材料更“生物性”的时候，冷冰冰的电路也开始“活”起来。美国加州理工学院生物工程系博士后钱璐璐和导师Erik Winfree，使用DNA分子，在一个试管中构造出了迄今最复杂的生化电路。其中最大的一个包含有74个不同的DNA分子，可以计算不超过15的整数的平方根，“答案”则通过监测输出分子的浓度获取。