每個人理所當然的（de）會記住各種有用的事情。長相、名字、住址，名人麵孔、家庭（tíng）成員生（shēng）日，也許你還會說一兩種外語。然而，人們驚奇的發現無生命物體也能有一種記憶性。金屬（shǔ）湯匙中的原子幾（jǐ）乎（hū）一直保持在同一個地方：一旦形成勺子，永遠是（shì）勺子。你可以用鉗子把勺子掰彎（wān），它就變成麵部（bù）全非的金屬片。但是如（rú）果勺子用記憶合金做的，那勺子形狀記憶不會（huì）消失。如果再（zài）次加熱，它會神奇地變成原來形狀！形狀（zhuàng）記憶神奇材料最廣為人知的應該（gāi）是“堅（jiān）不可摧的”眼鏡支架和胸罩內的金屬架，但是其實它們有著各種各樣的神奇用途，尤（yóu）其在（zài）醫學和航天領域。

彈性與塑（sù）性

 

如（rú）果知（zhī）道（dào）一點材料學知識並知道當拉（lā）伸或擠壓（yā）材料，材料的應（yīng）力（lì）應變情況，這將對理解形狀記憶概念有所幫助。

像湯匙這樣（yàng）的固體，除非施加應力，否則它一（yī）直保持著勺子形狀。這毫不意外！因為（wéi）本質上（shàng）意味著“固體”。用一（yī）個足夠大的力，一個物體總（zǒng）是會改（gǎi）變形狀或變形；它具體變成什麽樣取決於材料。某些材料是脆性的，而且根本不（bú）會（huì）改變形狀。如果（guǒ）勺子是玻璃或者木頭製（zhì）成的，彎曲的次數（shù）過多就會斷裂成碎片。

如果它是由厚橡膠製成的，在拉伸或擠壓（yā）時（shí）會（huì）有微小變形，然而當移走施（shī）加應力的瞬間，它就會恢複到原（yuán）來形狀。這種行為定義為彈（dàn）性：物體在外力作用下發生形變，外力撤銷時則恢複到原來形狀，我們說它是彈性的，並且完全可逆的拉伸過程（chéng）是彈性變形。我們經常（cháng）談論“彈性”，仿佛它（tā）是材料本身的屬性，但實際（jì）上彈性單指那些擁（yōng）有彈性的人工的、橡膠材料。甚至金屬也有彈性，隻（zhī）要你不用力拉伸，特別是（shì）它們做成彈（dàn）簧。

如果勺子是塑（sù）料的？意味著可以將至彎曲永久變（biàn）形。當停止用力，勺子保持著新形狀而不會回到原來的形狀。這種行為定義為塑性，同時也可以解釋塑料的命名。塑料是由大分子（聚合物（wù））製成的化學品，通常在製造過程中（或者之後（hòu））成形，因為分子鏈非常容易滑移。通常，塑料（liào）在工廠中由熔融（róng）態，模具成型，然（rán）後冷卻使之硬化（凝固）。但是（shì）就像“彈性”一（yī）樣，塑性指的是它的行為，而不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金屬是（shì）塑性的，因（yīn）為可以來回彎曲而不會回到原來形狀。這種不可逆的（de）變形稱為塑性形變。

什麽（me）是形狀記（jì）憶（yì）？

材料科學就是選擇最好的（de）材料來做某項特定的工作。例如，設（shè）計一個噴氣式發動機，可以選擇非常輕而且能夠耐高溫的堅固材料——鋁、鈦或（huò）者合金。但是如果（guǒ）你想要做一個低溫下表現某種方（fāng）式（shì），但是加熱時表現卻不同的飛機零件呢？這種（zhǒng）情況下，你可以使（shǐ）用形狀記（jì）憶（yì）合金，它可以隨著溫度變（biàn）化自動重塑（sù）。

普通的金（jīn）屬沒有形狀記（jì）憶。如果坐在鋁製眼鏡架上並且永久的彎曲它們，它們（men）很難回到（dào）原來的樣子。你必須照著自己記（jì）憶中眼鏡（jìng）框的樣子辛苦地去調整，就算是這（zhè）樣，也很難保證眼鏡框回到以前的樣子。而且（qiě）如果來回彎曲次數太多，鏡框達到疲勞強度可能會永遠的斷裂。

形狀記憶（yì）金屬與普通金屬表現不同。它們是強而輕、具（jù）有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多的（de）金屬）。它們可以“編程”記住原來的形狀，所以如果彎曲或擠壓它們，可以通過加熱使它們重新恢（huī）複（fù）到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應(既然加熱能使它改變，也可以稱之為熱形狀記憶效應)。某些形狀記憶金（jīn）屬在熱的時候記住（zhù）一種形狀，但在（zài）冷卻時候記住另一種形狀（zhuàng），所以冷（lěng）卻時它們變成一種（zhǒng）形狀，但加熱時它們“忘記”原來形狀，頸縮成一（yī）個不（bú）同（tóng）的形狀。這被稱為（wéi）雙向形狀記憶（yì）效應。現在，假如可以（yǐ）做一（yī）種形狀記憶體，即（jí）使彎曲和扭曲很多次即使（shǐ）沒有加熱，但仍然可以恢複成原來形狀？這是形狀記憶的一個方麵叫作偽彈性或超彈性，它（tā）適用於那些超級柔軟，幾乎堅不可摧的眼睛（jīng）框，製造商說它（tā）至少比鋼柔韌十倍！

雖然鎳鈦（tài）合金（又稱為鎳-鈦，Ni-Ti）可能是最廣為人知的形狀記憶（yì）合金，但是實際還有許多其他（tā）形狀記憶合金，包括（kuò）銅（tóng）鋅鋁（lǚ）合（hé）金，銅鋁鎳合金，鐵錳矽合金；還有相（xiàng）當多（duō）其他種類的。你也能發現以品牌命（mìng）名的形狀記憶合金例如FLEXINOL®和Muscle Wires®，這（zhè）是由該公司特有的鎳鈦合（hé）金。

形狀記（jì）憶如何發揮作用？

最容易理解形狀記憶（yì）的方式是記住發生在材（cái）料（liào）內（nèi）部（即（jí）原子和分子的納米尺度）的變化也許和外部看起來發生的完（wán）全不同。

拉伸橡皮圈，在它內部交聯和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤銷（xiāo）拉力（lì），分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的（de）工（gōng）作機理。形狀記憶是不同的。彎（wān）曲形狀（zhuàng）記憶合金物體使其（qí）內（nèi）部晶體結構變形（xíng）。不進行處理，它就會（huì）保持永（yǒng）久的彎曲形狀。然而對其加熱，晶體內部結構變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形（xíng）狀。超彈性（xìng）是相似的，但是你變形後使物體恢複（fù）到原來形狀不（bú）需要溫度。如果彎曲了一對形狀記（jì）憶眼鏡框，所施加的應力使鈦合金變成完全不同的晶體結構；放開手後晶體結構恢複，眼鏡框回到原來（lái）的形狀。

形狀記憶和超彈性發生的（de）是固體材料內部（bù）結構在兩種不同的晶體形（xíng）式之間的（de）轉換，換句話說，它的分子以完全可逆方式重新排列。這就是固（gù）態相變，它聽起來比實際情況複雜。其實我們都習慣了相變：你把冰塊放到飲料（liào）裏然後它融化了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊（kuài）融化（huà），其分子從緊密堆積結構轉變成更鬆散和更流動的結構，所以水從固相（冰）轉變成液相（平常的液體水）。發生在固態（tài）相變中的大致相似的事情是材（cái）料在（zài）轉變（biàn）前（qián）和後都是固體，因為在整個過程中所（suǒ）有（yǒu）分子之間（jiān）保持的非常近。

形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩種結晶態之間轉變。在低（dī）溫時，它們呈現相對柔軟（ruǎn）、塑性和（hé）容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形（xíng）的奧氏體（tǐ）。假設你有一個形（xíng）狀記憶（yì）電線，你可以相對容易地把它變成新的形狀。它的內（nèi）部是馬氏體，這（zhè）就是它（tā）容易變形的原因。無論你怎麽彎曲電線（xiàn），它都保（bǎo）持新的形狀；就像任何（hé）普通的電線，它看起來像在進行普（pǔ）通的塑性（xìng）形變。見證奇跡的時刻！對電（diàn）線微微加熱（高於相變溫度），其內部變成奧（ào）氏（shì）體，在熱能作用下內部原子重新排列然後電線恢複到原來形狀。冷卻下來，電線重新恢複成馬氏體，仍然恢複成原（yuán）來形狀。如（rú）果整個過程中材料的溫度（dù）高於相（xiàng）變溫度，你可以使其變形，但是當你釋放你施加的應力，它立刻恢複到原來的形狀。

形（xíng）狀記憶令（lìng）人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉換不是“對稱”的。你可（kě）以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然後可以（yǐ）用不同的方式去彎曲它。但是當你加熱你（nǐ）剛剛隨意彎曲的電線（xiàn），它總是回到一條單（dān）一、明顯的形狀。我們可以這（zhè）樣理解這一點，材（cái）料在馬氏體狀態下（xià）可以愉快（kuài）地變成任（rèn）何晶體形式。但是當它在奧氏體時，它（tā）隻有一種晶體形式。這也是最穩定（dìng）的狀態，也即最低能量狀態。

當施加應（yīng）力（壓力（lì））而不是加（jiā）熱時，超彈性和形狀記憶表現相似。通常，組成合金（jīn）的是奧氏體的（de）韌性（xìng）形式。假設對形狀記憶（yì）眼鏡施加應力（就是彎曲它們（men）），奧氏體（tǐ）轉換成（chéng）馬（mǎ）氏體後非常（cháng）容易變形（xíng）。放開鏡框後馬氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最（zuì）原始的形狀。

形狀記（jì）憶合金用途？

Arne Olander在上世紀30年代發現金-鎘合金（jīn）中存在形狀記憶效（xiào）應，但是在上世紀60年代美國（guó）海軍軍械實驗室開發出鈦鎳合（hé）金之後，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金（jīn）屬肌肉，記憶（yì）金屬，智能金屬）開始真正推廣使（shǐ）用。幾十年後，形狀記憶金屬已經是所有醫學和健康相關設備領域最平常的選擇，包括從牙科植（zhí）入物到外科工具，從胸罩內線到眼鏡框（kuàng）（以Flexon品牌出售）。與塑料、金屬或傳統（tǒng）合金不同，形狀記憶合金兼具堅固和柔韌的優點，易於消毒並耐腐蝕。由於輕質、堅韌並能在高溫下工作的特性，形狀（zhuàng）記憶合金也廣泛（fàn）應用於航空航天部件（jiàn），例如火箭和空間探測器。

形狀記憶合金在機器人領域應用快（kuài）速增長。有時人們（men）需要設計特殊用途的機器人到傳統機器（qì）人無法到（dào）達的地方：可能需要在十分（fèn）堅實的火箭上炸出孔洞，或者需要在（zài）門口悄悄的監視罪犯（fàn）。考慮到這些，工程（chéng）師們開始設計由形狀記（jì）憶合金製成的自動展開機器（qì）人。它們開始時折疊在一起，當他們需要（yào）被激活時，電（diàn）流通過機器人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預編程”的穩定不變機器人形狀。

形狀記憶聚合物

 

形狀記（jì）憶合（hé）金聽起來高（gāo）大上，但是它們也有缺點（diǎn）：形狀（zhuàng）記憶合金比普通不鏽鋼更（gèng）易達到疲勞強度（多次重複變（biàn）形後斷裂），而且比傳統的鋼或（huò）鋁合金的製造成本更高。上世紀90年代，材（cái）料學（xué）家開始開發與形狀（zhuàng）記憶合金（jīn）相似且具有形狀記憶效應的形狀記憶聚合物（wù）（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記憶聚合物很可（kě）能在未來幾年拓寬它的應用領域，因為SMPs比金（jīn）屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最（zuì）密切相（xiàng）關的是SCPs（形狀改變聚合物），當它們受（shòu）熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形狀；然而當冷（lěng）卻的時候，其恢（huī）複形狀。雖然自（zì）愈（yù）合材料（一種損（sǔn）傷後自（zì）我治愈的材料）也可以在多種不同的方式（shì）下工作，它們與SMPs非常相似。例如（rú），可以設想一下，一個塑料機身可以吸收射入的子彈的動能後轉換（huàn）成內能，並（bìng）用內能激活形狀記憶效應使聚合物（wù）恢複到原來形狀，迅速愈合和密封。