Четвероногие в наномасштабе могут обеспечить раннее предупреждение о поломке материала

Исследователи встроили квантовые точки в форме тетраподов, которые представляют собой наноразмерные полупроводниковые частицы, в полимерную пленку. Ядра четвероногих излучают флуоресцентный свет, когда их руки скручены или согнуты вне формы. Это указывает на то, что полимер подвергается некоторой степени деформации растяжения или сжатия, по которой можно определить напряжение в субмикронных областях материала. Такое напряжение может привести к тому, что наноразмерные трещины перерастут в макроскопические разрушения.

Первоначальные тесты показывают, что четвероногие могут совершать цикл более 20 раз, не теряя способности чувствовать стресс, и они не ухудшают прочность полимера, в котором они заключены в матрицу.Пока что ученые проверили свой подход в лаборатории, но на практике все, что потребуется для обнаружения флуоресцентного предупреждения четвероногих животных, — это стандартный портативный спектрометр. Человек может направить спектрометр на стальную балку, крыло самолета или любой материал, в который встроены тетраподы, и спектрометр потенциально может обнаружить зарождающиеся трещины длиной всего 100 нанометров.«Это масштаб длины, на которой развиваются трещины, когда вы хотите их поймать, задолго до того, как материал выйдет из строя», — говорит Шилпа Раджа, которая проводила исследование, когда она работала в отделении материаловедения Berkeley Lab и была аспиранткой. в Калифорнийском университете в Беркли.

Раджа сейчас работает докторантом Стэнфордского университета. Роберт Ричи и Пол Аливисатос, также из Отделения материаловедения и Калифорнийского университета в Беркли, являются соавторами статьи об этом исследовании, опубликованной в Интернете в журнале Nano Letters.«Наш подход также может стать большим шагом на пути к самовосстановлению интеллектуальных материалов.

Четвероногие могут быть соединены с наноразмерными частицами для ремонта, чтобы сформировать материал, который чувствует локальное напряжение, а затем самовосстанавливается», — добавляет Раджа.В дополнение к применению материалов четвероногие потенциально могут быть использованы для обнаружения присутствия раковых клеток в образцах тканей, поскольку раковые клетки имеют другие механические свойства, чем здоровые клетки, такие как повышенная жесткость.

Чтобы разработать эту технику, ученые начали с полимера, широко используемого в планерах и других конструкциях. Они смешали нанокристаллы тетраподов с полимером и отлили пластинки из смеси в чашки Петри.

Затем плиты были помещены в прибор для испытания на растяжение и подвергнуты воздействию лазера. Это позволило исследователям одновременно измерить флуоресценцию плиты и механическое напряжение.«Это недорогой метод изготовления, и он привел к наилучшему оптико-механическому согласованию между флуоресценцией и механическими испытаниями, обнаруженными нанокристаллом в пленке», — говорит Раджа.Раджа говорит, что форма четвероногих делает их очень чувствительными к стрессу.

Их четыре руки действуют как антенны, которые снимают напряжение с их непосредственного окружения, усиливают напряжение и передают его ядру. Цвет света, излучаемого сердечником, указывает на степень напряжения (и деформации), испытываемого руками.Их подход обещает стать большим улучшением по сравнению с существующими способами обнаружения наноразмерных напряжений в материалах, особенно в полевых условиях. Это можно сделать в лаборатории с помощью таких методов, как атомно-силовая микроскопия и методы наноиндентирования, но для этого требуется строго контролируемая среда.

За последние пять лет ученые разработали способы матрицы других чувствительных к напряжению наночастиц в материалы, но эти методы имеют очень низкое отношение сигнал / шум и не используют обнаружение видимого света. Кроме того, некоторые из этих подходов ухудшают механические свойства материала, в который они встроены, или они не могут циклически повторяться, то есть они могут подавать предупреждающий сигнал только один раз.Компьютерное моделирование четвероногого животного в атомном масштабе было проведено в Национальном научном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC). Электронная томография четвероногих при стрессе была проведена в Молекулярной литейной.

Оба объекта являются объектами управления науки Министерства энергетики США, расположенными в лаборатории Беркли.


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.