每個人理所當(dāng)然的會記住各種有用的事情。長相、名字、住址，名人面孔、家庭成員生日，也許你還會說一兩種外語。然而，人們驚奇的發(fā)現(xiàn)無生命物體也能有一種記憶性。金屬湯匙中的原子幾乎一直保持在同一個地方：一旦形成勺子，永遠(yuǎn)是勺子。你可以用鉗子把勺子掰彎，它就變成面部全非的金屬片。但是如果勺子用記憶合金做的，那勺子形狀記憶不會消失。如果再次加熱，它會神奇地變成原來形狀！形狀記憶神奇材料最廣為人知的應(yīng)該是“堅(jiān)不可摧的”眼鏡支架和胸罩內(nèi)的金屬架，但是其實(shí)它們有著各種各樣的神奇用途，尤其在醫(yī)學(xué)和航天領(lǐng)域。

    彈性與塑性

    如果知道一點(diǎn)材料學(xué)知識并知道當(dāng)拉伸或擠壓材料，材料的應(yīng)力應(yīng)變情況，這將對理解形狀記憶概念有所幫助。

    像湯匙這樣的固體，除非施加應(yīng)力，否則它一直保持著勺子形狀。這毫不意外！因?yàn)楸举|(zhì)上意味著“固體”。用一個足夠大的力，一個物體總是會改變形狀或變形；它具體變成什么樣取決于材料。某些材料是脆性的，而且根本不會改變形狀。如果勺子是玻璃或者木頭制成的，彎曲的次數(shù)過多就會斷裂成碎片。

    如果它是由厚橡膠制成的，在拉伸或擠壓時會有微小變形，然而當(dāng)移走施加應(yīng)力的瞬間，它就會恢復(fù)到原來形狀。這種行為定義為彈性：物體在外力作用下發(fā)生形變，外力撤銷時則恢復(fù)到原來形狀，我們說它是彈性的，并且完全可逆的拉伸過程是彈性變形。我們經(jīng)常談?wù)?ldquo;彈性”，仿佛它是材料本身的屬性，但實(shí)際上彈性單指那些擁有彈性的人工的、橡膠材料。甚至金屬也有彈性，只要你不用力拉伸，特別是它們做成彈簧。

    如果勺子是塑料的？意味著可以將至彎曲永久變形。當(dāng)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）制成的化學(xué)品，通常在制造過程中（或者之后）成形，因?yàn)榉肿渔湻浅Ｈ菀谆啤Ｍǔ＃芰显诠S中由熔融態(tài)，模具成型，然后冷卻使之硬化（凝固）。但是就像“彈性”一樣，塑性指的是它的行為，而不是它的組成。在某種意義上來說，許多軟金屬是塑性的，因?yàn)榭梢詠砘貜澢粫氐皆瓉硇螤睢＿@種不可逆的變形稱為塑性形變。

    什么是形狀記憶？

    材料科學(xué)就是選擇最好的材料來做某項(xiàng)特定的工作。例如，設(shè)計(jì)一個噴氣式發(fā)動機(jī)，可以選擇非常輕而且能夠耐高溫的堅(jiān)固材料——鋁、鈦或者合金。但是如果你想要做一個低溫下表現(xiàn)某種方式，但是加熱時表現(xiàn)卻不同的飛機(jī)零件呢？這種情況下，你可以使用形狀記憶合金，它可以隨著溫度變化自動重塑。

    普通的金屬沒有形狀記憶。如果坐在鋁制眼鏡架上并且永久的彎曲它們，它們很難回到原來的樣子。你必須照著自己記憶中眼鏡框的樣子辛苦地去調(diào)整，就算是這樣，也很難保證眼鏡框回到以前的樣子。而且如果來回彎曲次數(shù)太多，鏡框達(dá)到疲勞強(qiáng)度可能會永遠(yuǎn)的斷裂。

    形狀記憶金屬與普通金屬表現(xiàn)不同。它們是強(qiáng)而輕、具有特殊性能的合金（通常混合兩種或更多的金屬）。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復(fù)到原來形狀。這被稱為形狀記憶效應(yīng)（既然加熱能使它改變，也可以稱之為熱形狀記憶效應(yīng)）。某些形狀記憶金屬在熱的時候記住一種形狀，但在冷卻時候記住另一種形狀，所以冷卻時它們變成一種形狀，但加熱時它們“忘記”原來形狀，頸縮成一個不同的形狀。這被稱為雙向形狀記憶效應(yīng)。現(xiàn)在，假如可以做一種形狀記憶體，即使彎曲和扭曲很多次即使沒有加熱，但仍然可以恢復(fù)成原來形狀？這是形狀記憶的一個方面叫作偽彈性或超彈性，它適用于那些超級柔軟，幾乎堅(jiān)不可摧的眼睛框，制造商說它至少比鋼柔韌十倍！

    雖然鎳鈦合金（又稱為鎳-鈦，Ni-Ti）可能是最廣為人知的形狀記憶合金，但是實(shí)際還有許多其他形狀記憶合金，包括銅鋅鋁合金，銅鋁鎳合金，鐵錳硅合金；還有相當(dāng)多其他種類的。你也能發(fā)現(xiàn)以品牌命名的形狀記憶合金例如FLEXINOL®和Muscle Wires®，這是由該公司特有的鎳鈦合金。

    形狀記憶如何發(fā)揮作用？

    最容易理解形狀記憶的方式是記住發(fā)生在材料內(nèi)部（即原子和分子的納米尺度）的變化也許和外部看起來發(fā)生的完全不同。

    拉伸橡皮圈，在它內(nèi)部交聯(lián)和糾纏的橡膠大分子鏈打開和分離。撤銷拉力，分子鏈重新聚集到一起，這就是彈性的工作機(jī)理。形狀記憶是不同的。彎曲形狀記憶合金物體使其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)變形。不進(jìn)行處理，它就會保持永久的彎曲形狀。然而對其加熱，晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變成完全不同的形狀，推動物體回到原來的形狀。超彈性是相似的，但是你變形后使物體恢復(fù)到原來形狀不需要溫度。如果彎曲了一對形狀記憶眼鏡框，所施加的應(yīng)力使鈦合金變成完全不同的晶體結(jié)構(gòu)；放開手后晶體結(jié)構(gòu)恢復(fù)，眼鏡框回到原來的形狀。

    形狀記憶和超彈性發(fā)生的是固體材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)在兩種不同的晶體形式之間的轉(zhuǎn)換，換句話說，它的分子以完全可逆方式重新排列。這就是固態(tài)相變，它聽起來比實(shí)際情況復(fù)雜。其實(shí)我們都習(xí)慣了相變：你把冰塊放到飲料里然后它融化了，你觀察到的就是相變。隨著冰塊融化，其分子從緊密堆積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成更松散和更流動的結(jié)構(gòu)，所以水從固相（冰）轉(zhuǎn)變成液相（平常的液體水）。發(fā)生在固態(tài)相變中的大致相似的事情是材料在轉(zhuǎn)變前和后都是固體，因?yàn)樵谡麄€過程中所有分子之間保持的非常近。

    形狀記憶合金在奧氏體和馬氏體兩種結(jié)晶態(tài)之間轉(zhuǎn)變。在低溫時，它們呈現(xiàn)相對柔軟、塑性和容易成形的馬氏體；在（相對）高溫時，它們變成更硬和更難以變形的奧氏體。假設(shè)你有一個形狀記憶電線，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，這就是它容易變形的原因。無論你怎么彎曲電線，它都保持新的形狀；就像任何普通的電線，它看起來像在進(jìn)行普通的塑性形變。見證奇跡的時刻！對電線微微加熱（高于相變溫度），其內(nèi)部變成奧氏體，在熱能作用下內(nèi)部原子重新排列然后電線恢復(fù)到原來形狀。冷卻下來，電線重新恢復(fù)成馬氏體，仍然恢復(fù)成原來形狀。如果整個過程中材料的溫度高于相變溫度，你可以使其變形，但是當(dāng)你釋放你施加的應(yīng)力，它立刻恢復(fù)到原來的形狀。

    形狀記憶令人驚奇也可能使人困惑的是奧氏體和馬氏體之間的轉(zhuǎn)換不是“對稱”的。你可以取一條“編程”的形狀記憶電線（有明顯易記的形狀），然后可以用不同的方式去彎曲它。但是當(dāng)你加熱你剛剛隨意彎曲的電線，它總是回到一條單一、明顯的形狀。我們可以這樣理解這一點(diǎn)，材料在馬氏體狀態(tài)下可以愉快地變成任何晶體形式。但是當(dāng)它在奧氏體時，它只有一種晶體形式。這也是最穩(wěn)定的狀態(tài)，也即最低能量狀態(tài)。

    當(dāng)施加應(yīng)力（壓力）而不是加熱時，超彈性和形狀記憶表現(xiàn)相似。通常，組成合金的是奧氏體的韌性形式。假設(shè)對形狀記憶眼鏡施加應(yīng)力（就是彎曲它們），奧氏體轉(zhuǎn)換成馬氏體后非常容易變形。放開鏡框后馬氏體變回了奧氏體，所以眼鏡回到最原始的形狀。

    形狀記憶合金用途？

    Arne Olander在上世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)金-鎘合金中存在形狀記憶效應(yīng)，但是在上世紀(jì)60年代美國海軍軍械實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出鈦鎳合金之后，形狀記憶合金（也叫作SMAs，金屬肌肉，記憶金屬，智能金屬）開始真正推廣使用。幾十年后，形狀記憶金屬已經(jīng)是所有醫(yī)學(xué)和健康相關(guān)設(shè)備領(lǐng)域最平常的選擇，包括從牙科植入物到外科工具，從胸罩內(nèi)線到眼鏡框（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(jiān)固和柔韌的優(yōu)點(diǎn)，易于消毒并耐腐蝕。由于輕質(zhì)、堅(jiān)韌并能在高溫下工作的特性，形狀記憶合金也廣泛應(yīng)用于航空航天部件，例如火箭和空間探測器。

    形狀記憶合金在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用快速增長。有時人們需要設(shè)計(jì)特殊用途的機(jī)器人到傳統(tǒng)機(jī)器人無法到達(dá)的地方：可能需要在十分堅(jiān)實(shí)的火箭上炸出孔洞，或者需要在門口悄悄的監(jiān)視罪犯。考慮到這些，工程師們開始設(shè)計(jì)由形狀記憶合金制成的自動展開機(jī)器人。它們開始時折疊在一起，當(dāng)他們需要被激活時，電流通過機(jī)器人形狀記憶的部件，加熱它們至回到“預(yù)編程”的穩(wěn)定不變機(jī)器人形狀。

    形狀記憶聚合物

    形狀記憶合金聽起來高大上，但是它們也有缺點(diǎn)：形狀記憶合金比普通不銹鋼更易達(dá)到疲勞強(qiáng)度（多次重復(fù)變形后斷裂），而且比傳統(tǒng)的鋼或鋁合金的制造成本更高。上世紀(jì)90年代，材料學(xué)家開始開發(fā)與形狀記憶合金相似且具有形狀記憶效應(yīng)的形狀記憶聚合物（SMPs）。正如普通塑料改變了世界，形狀記憶聚合物很可能在未來幾年拓寬它的應(yīng)用領(lǐng)域，因?yàn)镾MPs比金屬基合金更輕、更便宜和更柔韌。和SMPs最密切相關(guān)的是SCPs（形狀改變聚合物），當(dāng)它們受熱（或以其他方式被能量刺激），其逐漸改變形狀；然而當(dāng)冷卻的時候，其恢復(fù)形狀。雖然自愈合材料（一種損傷后自我治愈的材料）也可以在多種不同的方式下工作，它們與SMPs非常相似。例如，可以設(shè)想一下，一個塑料機(jī)身可以吸收射入的子彈的動能后轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，并用內(nèi)能激活形狀記憶效應(yīng)使聚合物恢復(fù)到原來形狀，迅速愈合和密封。