纳米级四足动物可以提供材料失效的早期预警

由于美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的科学家最近的研究,发光,四臂纳米晶体有朝一日可能成为结构材料早期预警系统的基础,揭示预示着失效的微观裂缝。加州大学伯克利分校。

研究人员在聚合物薄膜中嵌入了四足形状的量子点,这是纳米尺寸的半导体粒子。当四足动物的手臂扭曲或弯曲变形时,四足动物的核心会发出荧光。这表明聚合物经受一定程度的拉伸或压缩应变,从中可以检测到材料的亚微米级区域上的应力。这种应力会导致纳米级裂纹发展成宏观失效。初步测试表明,四足动物可以循环20次以上而不会失去感应应力的能力,并且它们不会降低它们基质化的聚合物的强度。

到目前为止,科学家已经在实验室测试了他们的方法,但在实践中,检测四足动物荧光警告所需的一切都是现成的便携式光谱仪。一个人可以将光谱仪指向钢梁,飞机机翼或任何嵌入四足体的材料,光谱仪可以检测到仅100纳米长的初期裂缝。

“这是裂缝发展的长度尺度,即在材料发生故障之前就要捕捉它们的时间,”Shilpa Raja说,她是伯克利实验室材料科学部的附属机构和博士生。在加州大学伯克利分校。拉贾现在是斯坦福大学的博士后学者。材料科学部和加州大学伯克利分校的Robert Ritchie和Paul Alivisatos是在线发表在Nano Letters杂志上的一篇论文的共同对应作者

“我们的方法也可能是迈向自我修复智能材料的重要一步。四足动物可以与纳米尺寸的修复颗粒结合,形成一种能够感知局部应力然后自我修复的材料,“Raja补充道。

除了材料应用之外,四足动物可以潜在地用于检测组织样品中癌细胞的存在,因为癌细胞具有与健康细胞不同的机械性质,例如增加的硬度。

为了开发这项技术,科学家们开始研究一种广泛用于机身和其他结构的聚合物。他们将四足纳米晶体混合到聚合物中并在培养皿中浇铸混合物的平板。然后将板坯安装在拉伸试验机中并暴露于激光下。这使得研究人员可以同时测量板坯的荧光和机械应力。

“这是一种低成本的制造技术,它在电影中纳米晶体感应的荧光和机械测试之间产生了最佳的光机械协议,”Raja说。

拉贾说,四足动物的形状使他们对压力非常敏感。它们的四个臂作为触角,从周围的环境中吸收压力,放大压力,并将其转移到核心。核心发出的光的颜色表示手臂感觉到的应力(和应变)程度。

他们的方法有望成为目前检测材料中纳米级应力的方法的重大改进,特别是在现场。这可以在实验室中使用原子力显微镜和纳米压痕技术等技术完成,但这些需要非常受控的环境。在过去的五年中,科学家已经开发出将其他应力敏感纳米粒子矩阵化为材料的方法,但这些方法具有非常低的信噪比,并且不使用可见光检测。此外,这些方法中的一些降低了它们嵌入的材料的机械性能,或者它们不能来回循环,这意味着它们只能发出一次警告信号。

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