納米級四足動(dòng)物可以提供材料失效的早期預(yù)警

由于能源部勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(伯克利實(shí)驗(yàn)室)的科學(xué)家最近的研究，發(fā)光，四臂納米晶體有朝一日可能成為結(jié)構(gòu)材料早期預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)，揭示預(yù)示著失效的微觀裂縫。加州大學(xué)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(diǎn)，這是納米尺寸的半導(dǎo)體粒子。當(dāng)四足動(dòng)物的手臂扭曲或彎曲變形時(shí)，四足動(dòng)物的核心會(huì)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(yīng)變，從中可以檢測到材料的亞微米級區(qū)域上的應(yīng)力。這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致納米級裂紋發(fā)展成宏觀失效。初步測試表明，四足動(dòng)物可以循環(huán)20次以上而不會(huì)失去感應(yīng)應(yīng)力的能力，并且它們不會(huì)降低它們基質(zhì)化的聚合物的強(qiáng)度。

到目前為止，科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室測試了他們的方法，但在實(shí)踐中，檢測四足動(dòng)物熒光警告所需的一切都是現(xiàn)成的便攜式光譜儀。一個(gè)人可以將光譜儀指向鋼梁，飛機(jī)機(jī)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(shí)間，”Shilpa Raja說，她是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的附屬機(jī)構(gòu)和博士生。在加州大學(xué)伯克利分校。拉賈現(xiàn)在是斯坦福大學(xué)的博士后學(xué)者。材料科學(xué)部和加州大學(xué)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(yīng)作者

“我們的方法也可能是邁向自我修復(fù)智能材料的重要一步。四足動(dòng)物可以與納米尺寸的修復(fù)顆粒結(jié)合，形成一種能夠感知局部應(yīng)力然后自我修復(fù)的材料，“Raja補(bǔ)充道。

除了材料應(yīng)用之外，四足動(dòng)物可以潛在地用于檢測組織樣品中癌細(xì)胞的存在，因?yàn)榘┘?xì)胞具有與健康細(xì)胞不同的機(jī)械性質(zhì)，例如增加的硬度。

為了開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家們開始研究一種廣泛用于機(jī)身和其他結(jié)構(gòu)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(yàn)機(jī)中并暴露于激光下。這使得研究人員可以同時(shí)測量板坯的熒光和機(jī)械應(yīng)力。

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

拉賈說，四足動(dòng)物的形狀使他們對壓力非常敏感。它們的四個(gè)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(zhuǎn)移到核心。核心發(fā)出的光的顏色表示手臂感覺到的應(yīng)力(和應(yīng)變)程度。

他們的方法有望成為目前檢測材料中納米級應(yīng)力的方法的重大改進(jìn)，特別是在現(xiàn)場。這可以在實(shí)驗(yàn)室中使用原子力顯微鏡和納米壓痕技術(shù)等技術(shù)完成，但這些需要非常受控的環(huán)境。在過去的五年中，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出將其他應(yīng)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(jī)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。