潛力巨大的氣泡
床墊、金屬車身有何共同之處?答案是它們都能由泡綿製成。這種用泡綿填充的材料究竟有何特別之處,能憑以成為未來的產品?
Björn Braunschweig博士即使在晚上也不容易全然放鬆身心。他是德國埃爾朗根-紐倫堡弗裡德里希·亞歷山大大學(FAU)先進材料卓越工程中心小組的研究員,當他在下班後想好好享用一杯啤酒的時候,甚至也會忍不住研究起杯子裡的泡沫——為什麼巴伐利亞本地啤酒的氣泡比健力士黑啤酒更大而且冒得更快呢?Braunschweig解釋:「健力士黑啤酒的泡沫之所以更加穩定,是因為在啤酒碳酸化過程中添加的氮氣比德國生啤使用的二氧化碳更難溶於水。」這名而立之年的科學家對於泡綿材料頗為精通。2014年,他獲得歐洲研究委員會專門為新銳科學研究領袖提供的金額達150萬歐元的資金,用於一項與泡綿材料相關的五年基礎研究計畫。
泡綿的奇妙功能
泡綿能在諸多材料中脫穎而出,得到研發經費,看似有些出人意料。但實際上,泡綿是一種前景光明的多功能材料。舉例而言,Styrodur® 不僅可用於保溫隔熱,還能減少地震對建築物產生的應力,從而使得規劃師更有信心在地震活躍區從事房屋建造;如果慢跑時穿著採用巴斯夫發泡顆粒製成的跑鞋,人們會更省力,這是因為這種採用動力學設計的鞋底可以在受到衝擊後立即回復原狀;即使在睡夢中,人們也能享受聚氨酯泡綿帶來的好處,因為採用這種材料製成的床墊和枕頭可提供乳膠床墊才能提供的高彈性,而前者具有更佳的透氣性和持久性。
Braunschweig說:「泡綿材料的市場前景廣闊。氣泡使材料更輕盈,而且泡綿具有極佳的可塑性。」如果將泡綿材料應用於輕量化的車身結構,可確保在車身剛性與重量之間取得最佳平衡。採用泡沫金屬材料製成的車身,初看具有跟傳統材料車身相同的硬度。但是發生汽車碰撞事故時,泡沫車身並不會破裂和分離。而是會發生塑性變形(類似於氣囊),從而吸收衝擊能量。
為了創造具備特殊性能的泡綿材料,研究人員需要了解與之相關的各個方面——從最小的分子到氣泡本身。每個氣泡之間的介面,也就是氣體和液體或者氣體和固體接觸的部分,尤為重要。是什麼分子成分使該表面保持穩定?介面處的分子存在何種相互作用?
研究人員越了解這些問題,他們就更接近建立一個「分子工具箱」的目標,進而更好地把握和預測泡綿材料的性能。
「智慧泡綿材料」代表著未來的趨勢。這種泡綿材料會因外部刺激(例如光)而改變自身特性。Braunschweig認為這種特性對於自恢復型泡綿材料具有重要意義。對於自恢復型泡綿材料而言,氣泡表面可移動的分子使其能在負壓條件下擴張,並臨時封閉泡綿結構中任何「受損」的細胞。智慧泡綿材料對於保溫隔熱材料的回收也有益處。Braunschweig說:「如果不再需要使用泡綿材料,只需將其分解即可。分解後的材料只有原始體積的千分之一,獲取其中的化學成分也更容易。」
“打”出美味佳餚
食品業則對泡綿的其他特性很有興趣。德國愛爾蘭根研究機構的研究員表示:「他們希望使用泡沫來維持食品在保鮮期內的品質。」泡沫擁有比傳統食品更強烈的香味,這也是食品業對其抱有極大興趣的另一個原因。氣泡讓食品具有更大的表面積,能在較短時間內散發更多香味。對於注重飲食健康的人士而言,泡沫也具有吸引力,因為它們通常卡路里更低。