納米級四足動物可以提供材料失效的早期預警

由于能源部勞倫斯伯克利實驗室(伯克利實驗室)的科學家最近的研究，發(fā)光，四臂納米晶體有朝一日可能成為結構材料早期預警系統(tǒng)的基礎，揭示預示著失效的微觀裂縫。加州大學伯克利分校。

研究人員在聚合物薄膜中嵌入了四足形狀的量子點，這是納米尺寸的半導體粒子。當四足動物的手臂扭曲或彎曲變形時，四足動物的核心會發(fā)出熒光。這表明聚合物經(jīng)受一定程度的拉伸或壓縮應變，從中可以檢測到材料的亞微米級區(qū)域上的應力。這種應力會導致納米級裂紋發(fā)展成宏觀失效。初步測試表明，四足動物可以循環(huán)20次以上而不會失去感應應力的能力，并且它們不會降低它們基質(zhì)化的聚合物的強度。

到目前為止，科學家已經(jīng)在實驗室測試了他們的方法，但在實踐中，檢測四足動物熒光警告所需的一切都是現(xiàn)成的便攜式光譜儀。一個人可以將光譜儀指向鋼梁，飛機機翼或任何嵌入四足體的材料，光譜儀可以檢測到僅100納米長的初期裂縫。

“這是裂縫發(fā)展的長度尺度，即在材料發(fā)生故障之前就要捕捉它們的時間，”Shilpa Raja說，她是伯克利實驗室材料科學部的附屬機構和博士生。在加州大學伯克利分校。拉賈現(xiàn)在是斯坦福大學的博士后學者。材料科學部和加州大學伯克利分校的Robert Ritchie和Paul Alivisatos是在線發(fā)表在Nano Letters雜志上的一篇論文的共同對應作者

“我們的方法也可能是邁向自我修復智能材料的重要一步。四足動物可以與納米尺寸的修復顆粒結合，形成一種能夠感知局部應力然后自我修復的材料，“Raja補充道。

除了材料應用之外，四足動物可以潛在地用于檢測組織樣品中癌細胞的存在，因為癌細胞具有與健康細胞不同的機械性質(zhì)，例如增加的硬度。

為了開發(fā)這項技術，科學家們開始研究一種廣泛用于機身和其他結構的聚合物。他們將四足納米晶體混合到聚合物中并在培養(yǎng)皿中澆鑄混合物的平板。然后將板坯安裝在拉伸試驗機中并暴露于激光下。這使得研究人員可以同時測量板坯的熒光和機械應力。

“這是一種低成本的制造技術，它在電影中納米晶體感應的熒光和機械測試之間產(chǎn)生了最佳的光機械協(xié)議，”Raja說。

拉賈說，四足動物的形狀使他們對壓力非常敏感。它們的四個臂作為觸角，從周圍的環(huán)境中吸收壓力，放大壓力，并將其轉移到核心。核心發(fā)出的光的顏色表示手臂感覺到的應力(和應變)程度。

他們的方法有望成為目前檢測材料中納米級應力的方法的重大改進，特別是在現(xiàn)場。這可以在實驗室中使用原子力顯微鏡和納米壓痕技術等技術完成，但這些需要非常受控的環(huán)境。在過去的五年中，科學家已經(jīng)開發(fā)出將其他應力敏感納米粒子矩陣化為材料的方法，但這些方法具有非常低的信噪比，并且不使用可見光檢測。此外，這些方法中的一些降低了它們嵌入的材料的機械性能，或者它們不能來回循環(huán)，這意味著它們只能發(fā)出一次警告信號。