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撰文│ 廖红艳
研究人员找到了一种纳米级别的记忆材料，它可以“记住”自己变形前的模样，并恢复到原来的样子。
在1966年的科幻电影《神奇旅程》中，美国中央情报局将一艘载有营救人员的潜水艇，缩小至微米级别，注射到一位遭遇刺杀、处于昏迷状态的科学家体内，以清除他大脑中的血块。
这部科幻电影中的微型潜水艇，与我们今天说的微机电系统有些相似。微机电系统通常包含提供动力的微发动机、微处理器和若干获取外部信息的微型传感器，虽然它们的结构并不复杂，但对材料的要求特别苛刻。因为在微米和纳米尺度下，材料会产生巨大的表面效应，普通材料几乎完全无法适用，那么，什么样的材料才能担当这一重任呢？
北京师范大学物理学系教授张金星及其团队，提供了一种可能的材料——铁酸铋。通过实验，他们证实，在纳米尺度下，铁酸铋能实现形状记忆，且形变程度可达14％。相关论文《纳米级形状记忆氧化物》发表在2013年11月19日的《自然·通讯》上。
早在上世纪60年代，科学家就已经发现，铁酸铋拥有很多优良特性，是制备多功能、高密度微型器件的上佳材料。不过，由于那时的技术还无法在原子尺度上操控晶体生长，实验室一直无法制备出质量足够好的样品来实现这些性能。
直到2003年，科学家才第一次在实验室合成出了高质量的铁酸铋薄膜，从此掀起了一股研究铁酸铋材料的热潮。绝大多数科学家都着重研究铁酸铋的电磁特性，希望把这种材料用于微电子领域，从而用电场而非电流来控制材料的磁性。这样不仅可以解决机器发热的问题，还能实现更高密度的数据存储。
张金星及其团队关注的则是铁酸铋材料的形状记忆特性。2011年，他们成功地在铝酸镧基底上制备出了铁酸铋薄膜，并发现薄膜中存在两种不同的晶体结构。正是从那时起，研究人员有了一个想法：传统的形状记忆合金能在温度刺激下，从一种晶体状态转变为另一种晶体状态；新材料拥有两种不同的晶体结构，如果在电场、压力或温度的作用下，材料可以从一种结构向另一种结构转变，那么材料形状是否可以实现来回转变呢？
要验证这个想法，研究人员需要先让拥有两种晶体结构的材料，转变成只有一种晶体结构的纯相。然而，想让薄膜材料发生形变并不容易，因为基底对薄膜有巨大的束缚作用，会限制薄膜的形变程度。
怎样才能克服基底的束缚呢？研究人员想到一个办法，他们在薄膜上刻蚀出一个孤立的“小岛”，让这个区域与周围断开，不再受到周围环境的束缚。随着“小岛”的面积越来越小，研究人员终于得到了仅有一种晶体结构的铁酸铋晶体。然后，研究人员给这种晶体一个温度刺激，它的结构就会改变，完全转变成另一种晶体结构；而给新的晶体结构施加电场、温度等刺激，它又会恢复成之前的结构。
至此，研究人员终于实现了晶体结构的双向转变，而随着晶体结构的转变，材料形状也随之转变。也就是说，材料具有形状记忆效应。
除了形变效应大，这种新型铁酸铋材料还具有很高的硬度（是金属材料的50～100倍），形变时会产生很大的机械力，如果能证明这种材料的耐疲劳性同样优秀，它完全可以成为微机电系统中发动机、传感器的制备材料。
另外，材料中的两种晶体结构还可以扮演存储器中的“1”和“0”的角色，这使它在高密度存储方面也有极大的应用潜力。
谈到未来，张金星充满希望：“现在，这种材料已经可以长到硅基底上了，这是一个技术上的突破，意味着它可以集成到微电子工艺中了。”
新的纳米级记忆材料还可以用来做成什么呢？不妨以最大胆、最科幻的方式来想象吧，因为我们还不知道，在几年后，这一领域的研究水平可以达到多么科幻的程度。
形状记忆效应指具有一定形状的固体材料，在某一状态下经塑性变形后，通过加热或改变其他条件，材料又恢复到初始形状的现象。