Nanoskala tetrapoder kunne give tidlig advarsel om materialefejl

Lysemitterende, firearmede nanokrystaller kunne en dag danne grundlag for et tidligt varslingssystem i strukturelle materialer ved at afsløre mikroskopiske revner, der varsler fejl, takket være nyere forskning udført af forskere fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley.

Forskerne indlejrede tetrapodformede kvantepunkter, som er halvledende partikler i nanostørrelse, i en polymerfilm. Tetrapodernes kerner udsender fluorescerende lys, når deres arme er snoet eller bøjet ud af form. Dette indikerer, at polymeren gennemgår en grad af træk- eller trykbelastning, hvorfra der kan detekteres stress over submikronskala områder af materialet. Sådan stress kan forårsage revner i nanoskala til at udvikle sig til makroskopisk svigt. Indledende test viser, at tetrapoderne kan cykle mere end 20 gange uden at miste deres evne til at mærke stress, og de forringer ikke styrken af ​​den polymer, hvori de er matrixet.

Indtil videre har forskerne testet deres tilgang i laboratoriet, men i praksis alt hvad der er nødvendigt for at opdage tetrapodernes fluorescerende advarsel er en hyldevare, bærbart spektrometer. En person kunne rette et spektrometer mod en stålstråle, flyvinge, eller ethvert materiale, der har tetrapoder indlejret indeni, og spektrometret kunne potentielt opdage begyndende revner, der kun er 100 nanometer lange.

"Dette er længdeskalaen, hvor revner udvikler sig, det er når du vil fange dem, i god tid før materialet fejler, " siger Shilpa Raja, som udførte forskningen, mens hun var tilknyttet Berkeley Labs Materials Sciences Division og ph.d.-studerende ved UC Berkeley. Raja er nu postdoc ved Stanford University. Robert Ritchie og Paul Alivisatos, også af Materials Sciences Division og UC Berkeley, er de med-korresponderende forfattere af et papir om denne forskning offentliggjort online i tidsskriftet Nano bogstaver (2016, vol. 16, problem 8, s. 5060-5067).

"Vores tilgang kunne også være et stort skridt hen imod selvhelbredende smarte materialer. Tetrapoderne kunne kobles sammen med reparationspartikler i nanostørrelse for at danne et materiale, der fornemmer lokal stress og derefter reparerer sig selv, " tilføjer Raja.

Ud over materialeanvendelser, tetrapoderne kunne potentielt bruges til at påvise tilstedeværelsen af ​​kræftceller i vævsprøver, fordi kræftceller har andre mekaniske egenskaber end raske celler, såsom øget stivhed.

For at udvikle teknikken, forskerne startede med en polymer, der er meget brugt i flyskrog og andre strukturer. De blandede tetrapod nanokrystaller i polymeren og støbte plader af blandingen i petriskåle. Pladerne blev derefter monteret i en træktester og udsat for en laser. Dette gjorde det muligt for forskerne at måle pladens fluorescens og mekaniske belastning samtidigt.

"Dette er en billig fremstillingsteknik, og det resulterede i den bedste optomekaniske overensstemmelse mellem fluorescens og mekaniske tests registreret af en nanokrystal i en film, " siger Raja.

Raja siger, at tetrapodernes form gør dem meget følsomme over for stress. Deres fire arme fungerer som antenner, der tager stress fra deres umiddelbare omgivelser, forstærke stress, og overfør det til kernen. Farven på lyset, der udsendes af kernen, angiver graden af ​​stress (og belastning), som armene føler.

Deres tilgang lover at være en stor forbedring i forhold til nuværende måder at opdage nanoskala stress i materialer, især i marken. Dette kan gøres i laboratoriet med teknikker som atomkraftmikroskopi og nano-indentationsteknikker, men disse kræver et meget kontrolleret miljø. I løbet af de seneste fem år, forskere har udviklet måder at matrix andre stress-sensing nanopartikler i materialer, men disse metoder har et meget lavt signal-til-støj-forhold og bruger ikke registrering af synligt lys. Ud over, nogle af disse tilgange forringer de mekaniske egenskaber af det materiale, de er indlejret i, eller de kan ikke cykle frem og tilbage, hvilket betyder, at de kun kan give et advarselssignal én gang.