材料微觀缺陷怎么預防？納米四足體來幫忙

材料牛注：由于材料的一些微觀缺陷難以被發現，研究者們探索到“四足體”可以為材料的納米級缺陷提供預警信號，并在該領域取得重大突破。

這些所謂四足體的原子級別的計算機模擬器顯示了它們如何感知沿一個軸的壓縮（左圖）和張力（右圖），這兩者對于檢測納米級別裂紋的形成都至關重要。右側顏色欄表示四足體的體積變化百分比。

從美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和加州大學伯克利分校的科學家們最近所做的研究表明，日后對于結構材料來說，發光的四足形納米晶體能夠預示那些可能造成失敗的微觀裂縫，因此它可以用來作為一個預警系統的雛形。

研究者們在高分子膜中嵌入該四足體的量子點，這些量子點是納米半導體粒子。當該四足體的四肢扭曲或者變形，它們的核心會發出熒光，這表明該聚合物正在發生一定程度的拉伸或壓縮應變，從而可以探測出超過亞微米尺度的區域的應力，這樣的應力會導致納米級裂縫發展成宏觀缺陷。最初的測試顯示四足體可以循環20次以上，而不會失去其感測壓力的能力，并且它們不會降低聚合物的強度。

迄今為止，科學家們已經在實驗室里測試了他們的方法，但在實踐中，檢測四足體的熒光警告所需的是一個現成的可見光分光光度計。使用者可以將光度計指向鋼梁，飛機機翼，或具有嵌入四足體的任何材料，光譜儀可以檢測到只有100納米長的早期裂縫。

“這個長度處于該裂縫的發展時期，而你又想在材料失效前遏制它們，這是可行的，”Shilpa Raja說道。當她剛加入伯克利實驗室材料科學部的子公司，并作為一個加州大學伯克利分校的在讀博士生的時候就進行了這個研究，Raja如今已經是斯坦福大學的博士后學者。同樣來自材料科學部和加州大學伯克利分校的Robert Ritchie和Paul Alivisatos，是對本研究在雜志Nano Letters在線發表的論文的共同通訊作者。

“我們的方法也可能是走向具有自我修復功能的智能材料時代的一大步。該四足體可與納米級修復粒子連接形成一種可以感測局部應力，然后進行自我修復的材料。”Raja補充道。

除了應用于材料，四足體還可能被用于檢測組織樣品中癌細胞的存在，因為癌細胞與健康細胞相比具有不同的機械性能，如較強的剛度。

為了發展這門技術，科學家們開始將聚合物廣泛用于飛機機身和其它結構中。他們在培養皿中將該四足體的納米晶體混入聚合物和鑄造板坯的混合物中，然后將該板坯安裝在拉伸試驗機上并用激光照射，這使研究人員能夠同時測量板的熒光性質和機械應力。

Raja表示，四足體的形狀使它們對壓力非常敏感。其四肢充當天線，從它們的即時環境中感受應力，放大應力，并將其傳送到核心。由核心發出的光的顏色表示由四肢感覺到的應力（應變）的強度。

他們的方法有望成為當前材料檢測中納米級應力檢測領域的一個重大提高。這可以在實驗室中完成，運用類似于原子力顯微鏡和納米壓痕的技術，但這些都需要一個非常受限的環境。在過去的五年里，科學家已經研究出將其他壓力感測的納米晶體植入材料的方法，但這些方法具有非常低的信噪比，并且不使用可見光檢測。另外，其中的一些方法會降低四足體所嵌入的材料的機械性能，或者它們不能循環使用，這意味著它們只能發出一次警告信號。

在國家能源研究科學計算中心（NERSC）進行了該四足體的原子級計算機模擬，在應力下的四臂形量子點的電子斷層掃描是在分子鑄造廠進行。這兩個設施都設在伯克利實驗室的科學用戶設施的能源部辦公室。

原文鏈接：Nanoscale tetrapods could provide early warning of a material's failure

文獻鏈接：Mechanisms of Local Stress Sensing in Multifunctional Polymer Films Using Fluorescent Tetrapod Nanocrystals

本文由編輯部楊浩提供素材，阮英杰編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。