探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月25日，荷蘭萊頓大學(xué)。物理學(xué)家丹妮拉·克拉夫特和胡里奧·梅里奧在實(shí)驗(yàn)室里，親眼目睹了一個(gè)前所未有的景象：他們用比頭發(fā)絲還細(xì)十倍的小球搭成的微觀結(jié)構(gòu)，竟然像有了生命一樣，自己折疊、展開(kāi)，收縮、擴(kuò)張，如同一場(chǎng)無(wú)聲的微觀舞蹈。

這項(xiàng)研究發(fā)表在頂級(jí)期刊《自然》上。它可不是簡(jiǎn)單地把東西做小，而是首次在微觀尺度上制造出了能夠自發(fā)、可逆變形的“力學(xué)超材料”。這為未來(lái)的智能材料、乃至能鉆進(jìn)血管的微型機(jī)器人，打開(kāi)了那扇最關(guān)鍵的入門。

我們平時(shí)接觸的材料，其性質(zhì)主要由化學(xué)成分決定。鋼鐵硬，是因?yàn)殍F原子間的鍵結(jié)強(qiáng)；橡膠軟，是因?yàn)楦叻肿渔溔菀桌臁?/strong>

但“超材料”走的是另一條路。它的神奇之處不在于“是什么”，而在于“怎么擺”。科學(xué)家像搭積木一樣，把微觀粒子排列成特定的幾何結(jié)構(gòu)，讓整個(gè)材料展現(xiàn)出天然物質(zhì)不具備的特性。比如，讓電磁波“拐彎”的隱形斗篷，就是超材料的杰作。

萊頓團(tuán)隊(duì)的突破，在于把這種理念推向了極致。他們用二氧化硅小球作為“積木”，搭建出最關(guān)鍵的菱形單元。這些單元被剛性固定，然后再通過(guò)一個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)，形成類似“籠目格子”的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵來(lái)了：這些微觀“積木”不再需要外力牽引。它們自己就會(huì)動(dòng)。動(dòng)的能量，就來(lái)自周圍環(huán)境的熱能。在這個(gè)尺度下，熱運(yùn)動(dòng)不再是麻煩，而是驅(qū)動(dòng)材料變形的“免費(fèi)燃料”。一組菱形向右轉(zhuǎn)，相鄰的組就向左轉(zhuǎn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)便像手風(fēng)琴一樣，有節(jié)奏地收縮和膨脹。

如果材料只是自己無(wú)規(guī)律地亂動(dòng)，那還稱不上“智能”。真正讓這項(xiàng)研究“一葉知秋”的，是下一步：他們給這種自發(fā)運(yùn)動(dòng)裝上了“開(kāi)關(guān)”。

團(tuán)隊(duì)引入了磁性微粒。這樣一來(lái)，整個(gè)超材料的結(jié)構(gòu)就能對(duì)外部磁場(chǎng)做出響應(yīng)。開(kāi)關(guān)一開(kāi)，磁場(chǎng)引導(dǎo)微粒排列，結(jié)構(gòu)收縮；開(kāi)關(guān)一關(guān)，熱運(yùn)動(dòng)重新主導(dǎo)，結(jié)構(gòu)膨脹。

這意味著什么？意味著我們第一次在微觀尺度上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料宏觀形狀的遠(yuǎn)程、精準(zhǔn)控制，而且驅(qū)動(dòng)力來(lái)自于環(huán)境本身。

這就像你不需要用線去提線木偶的每一根關(guān)節(jié)，只需要對(duì)木偶喊一聲“站起來(lái)”，它身體里內(nèi)置的微型彈簧和馬達(dá)就會(huì)自動(dòng)完成動(dòng)作。從被動(dòng)響應(yīng)到主動(dòng)執(zhí)行，這是質(zhì)的飛躍。

看到這里，讀者一定會(huì)問(wèn)：這么前沿的領(lǐng)域，我們中國(guó)科學(xué)家在做什么？

答案是：不僅在做，而且在很多細(xì)分方向上，已經(jīng)跑到了世界前列。這項(xiàng)荷蘭研究是基礎(chǔ)原理的突破，而中國(guó)的研究更側(cè)重于材料體系的創(chuàng)新和潛在應(yīng)用的探索，形成了強(qiáng)有力的互補(bǔ)。

在力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)與制備上，中國(guó)科學(xué)家早已深耕多年。例如，清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在宏觀和介觀尺度上，設(shè)計(jì)出了多種具有負(fù)熱膨脹、超輕高強(qiáng)等特性的超材料結(jié)構(gòu)。荷蘭團(tuán)隊(duì)的“籠目格子”設(shè)計(jì)，其理論模型和力學(xué)分析，在中國(guó)的凝聚態(tài)物理和材料學(xué)教科書里，都是重點(diǎn)討論的經(jīng)典范例。

更重要的是向微觀和應(yīng)用的延伸。當(dāng)荷蘭科學(xué)家用膠體小球搭積木時(shí)，中國(guó)科學(xué)家在用更豐富的材料“烹飪”。例如，國(guó)家納米科學(xué)中心、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所等機(jī)構(gòu)，在利用DNA折紙術(shù)、嵌段共聚物自組裝來(lái)構(gòu)建精密納米結(jié)構(gòu)方面，成果斐然。這些本質(zhì)上就是更復(fù)雜、更精細(xì)的超材料構(gòu)建。

在微型機(jī)器人這個(gè)終極應(yīng)用方向上，中國(guó)團(tuán)隊(duì)更是捷報(bào)頻傳。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家能讓微型機(jī)器人爬坡、負(fù)重；清華大學(xué)和北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出由光、pH值或生物酶驅(qū)動(dòng)的微納馬達(dá)，能在溶液中自主航行。這些微型執(zhí)行器，未來(lái)完全可以與萊頓團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這種可變形“智能材料”結(jié)合，組成真正意義上的、能在人體內(nèi)執(zhí)行藥物輸送或微創(chuàng)手術(shù)的“微型醫(yī)生”。

可以說(shuō)，荷蘭團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，為微觀世界“自驅(qū)變形”提供了第一個(gè)完美的實(shí)驗(yàn)范本。而中國(guó)科學(xué)界在相關(guān)領(lǐng)域的深厚積累，確保了我們不僅看懂了這份“范本”，更有能力在下一階段的“實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用”中，拿出我們自己的解決方案。

這項(xiàng)研究的意義，或許可以用一句話概括：它證明了，在微觀世界里，我們可以像編寫程序一樣，通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來(lái)“編寫”材料的宏觀行為，而驅(qū)動(dòng)程序的能量，就藏在周圍的環(huán)境中。

接下來(lái)，科學(xué)家們可以在這個(gè)平臺(tái)上“翻譯”更多超材料概念。比如，設(shè)計(jì)出在微觀尺度上具有負(fù)泊松比（一拉就變胖）的材料，或者能根據(jù)環(huán)境酸堿度、特定生物分子而自動(dòng)改變形狀的智能凝膠。

這不僅僅是材料科學(xué)的進(jìn)步。當(dāng)我們可以隨心所欲地構(gòu)建微觀世界的“變形金剛”時(shí)，從新型傳感器、柔性電子器件，到能模擬生命組織的人工肌肉，都將迎來(lái)全新的可能性。