材料微观缺陷怎么预防？纳米四足体来帮忙

欧洲足球赛事 注：由于材料的一些微观缺陷难以被发现，研究者们探索到“四足体”可以为材料的纳米级缺陷提供预警信号，并在该领域取得重大突破。

这些所谓四足体的原子级别的计算机模拟器显示了它们如何感知沿一个轴的压缩（左图）和张力（右图），这两者对于检测纳米级别裂纹的形成都至关重要。右侧颜色栏表示四足体的体积变化百分比。

从美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的科学家们最近所做的研究表明，日后对于结构材料来说，发光的四足形纳米晶体能够预示那些可能造成失败的微观裂缝，因此它可以用来作为一个预警系统的雏形。

研究者们在高分子膜中嵌入该四足体的量子点，这些量子点是纳米半导体粒子。当该四足体的四肢扭曲或者变形，它们的核心会发出荧光，这表明该聚合物正在发生一定程度的拉伸或压缩应变，从而可以探测出超过亚微米尺度的区域的应力，这样的应力会导致纳米级裂缝发展成宏观缺陷。最初的测试显示四足体可以循环20次以上，而不会失去其感测压力的能力，并且它们不会降低聚合物的强度。

迄今为止，科学家们已经在实验室里测试了他们的方法，但在实践中，检测四足体的荧光警告所需的是一个现成的可见光分光光度计。使用者可以将光度计指向钢梁，飞机机翼，或具有嵌入四足体的任何材料，光谱仪可以检测到只有100纳米长的早期裂缝。

“这个长度处于该裂缝的发展时期，而你又想在材料失效前遏制它们，这是可行的，”Shilpa Raja说道。当她刚加入伯克利实验室材料科学部的子公司，并作为一个加州大学伯克利分校的在读博士生的时候就进行了这个研究，Raja如今已经是斯坦福大学的博士后学者。同样来自材料科学部和加州大学伯克利分校的Robert Ritchie和Paul Alivisatos，是对本研究在杂志Nano Letters在线发表的论文的共同通讯作者。

“我们的方法也可能是走向具有自我修复功能的智能材料时代的一大步。该四足体可与纳米级修复粒子连接形成一种可以感测局部应力，然后进行自我修复的材料。”Raja补充道。

除了应用于材料，四足体还可能被用于检测组织样品中癌细胞的存在，因为癌细胞与健康细胞相比具有不同的机械性能，如较强的刚度。

为了发展这门技术，科学家们开始将聚合物广泛用于飞机机身和其它结构中。他们在培养皿中将该四足体的纳米晶体混入聚合物和铸造板坯的混合物中，然后将该板坯安装在拉伸试验机上并用激光照射，这使研究人员能够同时测量板的荧光性质和机械应力。

Raja表示，四足体的形状使它们对压力非常敏感。其四肢充当天线，从它们的即时环境中感受应力，放大应力，并将其传送到核心。由核心发出的光的颜色表示由四肢感觉到的应力（应变）的强度。

他们的方法有望成为当前材料检测中纳米级应力检测领域的一个重大提高。这可以在实验室中完成，运用类似于原子力显微镜和纳米压痕的技术，但这些都需要一个非常受限的环境。在过去的五年里，科学家已经研究出将其他压力感测的纳米晶体植入材料的方法，但这些方法具有非常低的信噪比，并且不使用可见光检测。另外，其中的一些方法会降低四足体所嵌入的材料的机械性能，或者它们不能循环使用，这意味着它们只能发出一次警告信号。

在国家能源研究科学计算中心（NERSC）进行了该四足体的原子级计算机模拟，在应力下的四臂形量子点的电子断层扫描是在分子铸造厂进行。这两个设施都设在伯克利实验室的科学用户设施的能源部办公室。

原文链接：Nanoscale tetrapods could provide early warning of a material's failure

文献链接：Mechanisms of Local Stress Sensing in Multifunctional Polymer Films Using Fluorescent Tetrapod Nanocrystals

本文由编辑部杨浩提供素材，阮英杰编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。