? 本報記者 李洋

在材料科技的漫長探索中，“既強且柔”始終是近乎理想的研發目標：像鋼一樣承受巨力而不易斷裂，猶如塑料般靈活彎曲而不僵硬。這一特性曾被視為科幻構想，直到應變玻璃態合金的出現，讓夢想照進現實。

“我們發現了一種新的物質狀態——應變玻璃，它不僅是科學上的新奇現象，更重要的是它的獨特性質使其在多個重大工程中展現出不凡價值，并有望在生物醫療、機器人等領域獲得廣泛應用。”在近日舉行的甬江實驗室第三屆全球青年科技精英論壇上，甬江實驗室智能材料研究中心主任任曉兵以翔實的數據和豐富的案例，向與會者分享他在應變玻璃領域的最新科研進展與應用探索。

撥開迷霧

破解百年科學“疑云”

應變玻璃，是一種兼具晶體有序性和非晶玻璃相變特征的全新物質狀態。該發現突破了百年來科學界對固態物質的晶體-玻璃二元認知基本框架，具有重要的科學意義。

“我們發現應變玻璃這種新物質狀態，是從研究一個困擾科學界很久的問題開始，即金屬合金里的‘預馬氏體條紋相’到底是什么。這個現象1960年就在多種合金中被觀察到了，但一直沒人能說清它的本質。”任曉兵說，這朵“飄浮在百年馬氏體研究大廈上空的‘疑云’”，雖然今天已經普遍被觀察到了，但卻無人能解釋其物理本質。

關鍵的突破靈感來自一次乘飛機旅行的觀察。當看到萬米高空中（-50攝氏度）的云層時，任曉兵意識到這些既非氣態、液態也非固態的冰晶體浮云，實際上代表了一種獨立于傳統三態（氣-液-固）的特殊物態。這個思考激發了他的靈感：晶體中的“預馬氏體條紋相”是否是一種基于晶態的“云”——一種特殊固體物態？

順著這個思路，他進一步思考固體的兩種基本狀態：晶體和非晶體（比如玻璃）。晶體像冰，是液體（水）在確定溫度值狀態凝固而成，原子排列整齊；非晶體像果凍，是液體變黏稠后凍成，原子排列亂，而且能像拔絲地瓜那樣拉絲。那金屬里的“固體變固體”（比如馬氏體相變）會不會也有類似情況？普通的馬氏體相變就像液體變晶體，可以看成晶體中的原子圍繞平衡位置的無規振動（他稱此狀態為“應變液體”）在某個“凝固點”以下整齊地振動到新的位置；那會不會有一種像玻璃一樣的狀態，上述“應變液體”在降溫時的無序振動被逐漸凍結，就像固體里的“果凍”？

2005-2007年，任曉兵團隊在世界上首次發現了一類奇特的“應變玻璃態合金”，它兼具晶體的有序結構和非晶體的黏彈性行為，并將其命名為應變玻璃（strain glass）。它們通過兩個關鍵實驗證實這一發現：一是發現它雖是晶體但具有非晶體類似的黏稠性，二是發現它具有類似非晶能拉絲一樣的特性，這些關鍵實驗證實“預馬氏體條紋相”的確是一種基于晶體的特殊玻璃——應變玻璃。經過數年深入探究，團隊提出了相關理論，這一發現開辟了固態物質研究的新領域，為設計全新特性材料提供了可能。

剛柔并濟

應變玻璃獨特魅力

從專業角度定義，應變玻璃是一種具有“晶體-玻璃二象性”的新型物態：在微觀上保持晶體長程有序結構，宏觀上卻表現出典型玻璃特征（黏彈性、寬溫域轉變等）。

對此，任曉兵解釋說：可以用“晶體中的應變浮云”形象比喻：就像藍天中飄浮的云朵（短程有序的納米馬氏體微區）與大氣（晶體基體）共存，這些“應變浮云”賦予材料獨特的力學響應特性；也可以把應變玻璃理解成晶體狀態下的一種特殊“果凍”，它在微觀結構上是晶體基體中分布著動態響應的“活”納米馬氏體微區，物理特性上兼具寬溫域響應（類似玻璃）和高強韌性（繼承晶體優點）。

應變玻璃的發現，對于凝聚態物理的發展，既拓展了固態相變理論，又為設計新型功能材料提供了新思路，可能引發對傳統物態分類的重新思考。與傳統材料相比，應變玻璃最引人注目的獨特之處是其“強柔并濟”的特性。

任曉兵將其比作生活中的美食“拔絲紅薯”。他解釋道，應變玻璃與黏稠態的糖在物理上是相似的，糖漿在凝固過程中并沒有明確的凝固點，而是在一個寬溫域下逐漸硬化，這不同于水結冰這類有固定凝固點的轉變。應變玻璃合金的這種特性能夠提供寬溫域下的穩定性能，這對于材料的實際應用是非常關鍵的。

出于對未來大規模生產的考慮，該團隊選擇了一種商用鎳鈦合金作為基礎材料，這種合金具有高強度的潛力，而且在市場上容易獲取。他們首先通過冷變形的方法使其呈現高強度的應變玻璃狀態，然后開始嘗試改變各個工藝參數，密切觀察材料強度和柔性的變化情況。

2024年9月，任曉兵團隊在《自然》（Nature）雜志報道中提到的這種兼具鋼材強度與塑料柔性的“強柔并濟”合金材料，是應變玻璃領域最新最前沿的研究成果，顯示了應變玻璃的獨特魅力。它利用應變玻璃在寬溫域對外力的響應特性，同時通過工藝過程對應變玻璃的基體加入“馬氏體種子”進一步加大材料對外力的響應幅度，進而獲得與高分子材料接近的超柔特性同時保持超高強度，實現了“既強且柔”的罕見特性。科學新聞雜志《新科學家》（New Scientist）稱該材料“可能催生諸多未來技術”。

任曉兵坦言，在研究過程中，團隊也遇到過質疑，一個常見的質疑是：“你把普遍觀察到的‘預馬氏體條紋相’取了一個新名稱——應變玻璃，這算是新發現嗎？”

對此，任曉兵團隊的回答是：這是“知其然”和“知其所以然”的關系，就像普遍觀察到的自由落體現象和理解背后的萬有引力的關系。60年前開始大量報道的“預馬氏體條紋相/納米馬氏體”現象只是一個實驗觀察，但無人能解釋其物理本質及起源，而他們發現它具有玻璃的基本特征則確立了它的物理本質是晶體-玻璃二象性兩種矛盾狀態的對立統一體；而對該現象物理本質的揭示則帶來利用該新物態設計研發全新材料的重大機遇，這是僅知道“預馬氏體條紋相”這個現象所無法達到的。

應變玻璃的發現，除了突破傳統認知框架外，對凝聚態物理、材料科學等相關學科的理論發展也具有潛在影響。就像波粒二象性開創了量子力學，進而催生了量子計算機等一系列成果一樣，應變玻璃這一兼具晶體和非晶體特性的新物質狀態，其發現也有望在未來推動相關學科和技術的重大發展。

跨界賦能

為材料應用打開新大門

應變玻璃的發現，為材料科學打開了新的大門。這種材料的特性如同“拔絲紅薯”中的糖——沒有明確的凝固點，在寬溫域內逐漸變化，從-100攝氏度到100攝氏度，甚至接近絕對零度（0K）的極端環境下，性能依然穩定。“應變玻璃已在一些尖端技術中完成應用落地。這些場景對材料的要求極為苛刻，既要在極寬溫域保持超大彈性與超高柔性，能通過溫度觸發實現大變形，又得具備超高強度，而應變玻璃合金的特性恰好完美匹配這些需求。”任曉兵補充道，其他方向的應用研發也在緊鑼密鼓推進：無折痕超柔薄板、生物醫療用超柔導絲、基于應變玻璃的減震器件等，都在從實驗室到實用化的路徑上穩步前行。他還透露，未來這種材料有望拓展到人工心臟、人形機器人、人工肌肉等更廣闊領域，提供更多此前難以實現的技術可能。

如今，這種材料已從實驗室走向醫療、新能源等領域的應用測試。胃鏡檢查給人們帶來的痛苦或將成為歷史，用它制成的柔性光纖器械，既能深入體內又不損傷組織，讓醫療檢查更舒適。風電產業的維護難題有望解決：葉片根部的緊固件采用這種材料后，通過8%的宏觀收縮實現“永不松動”，從熱力學穩定態鎖定連接，徹底告別海上、山頂風電的高危人工檢修，甚至好萊塢電影中機器人一拳擊穿墻壁的場景，也因它的超高強度與柔性結合成為可能：用它制成的人工肌肉，性能遠超人體肌肉，卻能像生物組織般自然驅動。

甬江實驗室等研究機構正全力推動其大規模產業化落地。“當前只是應變玻璃應用研究的開始，今后還有巨大的潛力有待挖掘，期待與工程界一起探討未來的應用。”任曉兵對未來充滿期待：目前應變玻璃研究主要集中在金屬合金中，而應變玻璃從理論上不受具體材料限制，可以在陶瓷中實現，初步的研究發現它可以實現陶瓷的低溫增韌；還可以在具有電學性質和磁學性質的材料中實現，這些材料與應變玻璃的結合會實現超高的電致伸縮或磁致伸縮特性。

或許不久的將來，人們可以看到機器人如人類般靈活運動，飛行器機翼像鳥翼般自然伸縮，風電葉片在無人維護下穩定運轉，而其背后正是這種應變玻璃態合金在默默發揮作用——用科技的力量，讓“剛柔并濟”從想象變為現實。

其實，這種材料的意義，遠不止于技術突破。當它從實驗室走向生產線，從尖端領域滲透到民生領域，改變的不僅是產品性能，更是人類應對極端環境的信心。那些曾經因材料限制而擱置的構想，正隨著應變玻璃態合金的成熟，一步步走向現實。