我們都想在危險來臨之前預知到它，現(xiàn)在材料中的“算命先生”就可以幫到你。研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新方法可以在故障完全出現(xiàn)之前識別材料中的微觀缺陷，這將大大避免了一些災(zāi)難性事件發(fā)生。

    如果你從來沒讓管道工來過你家，那你太幸運了。一般情況下，管道材料會逐漸出現(xiàn)凹痕而漸漸磨損，直到它很明顯時已經(jīng)太晚了。管道可能會在諸如零下溫度的條件下出現(xiàn)毀滅性的爆裂，從而浪費了用戶時間，對用戶的使用造成不便。

    但是在我們必須尋求幫助之前，如果有方法可以識別那些經(jīng)常發(fā)生的微觀缺陷呢？

    貝克曼高等科學技術(shù)研究所的AMS（Autonomous Materials Systems）團隊最近發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，這種方法可以在故障完全出現(xiàn)之前識別高分子和復合材料中的微觀缺陷。

    材料科學與工程專業(yè)的Nancy Sottos教授說：“小裂縫的自發(fā)指示可以為我們提供調(diào)停和修理的時間或者在災(zāi)難性故障出現(xiàn)之前替代損壞的部分，從而使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加安全、更加可靠。”Nancy Sottos教授最近在ACS Central Science雜志上發(fā)表了一篇名為“聚集誘導發(fā)光可以使聚合物材料強大的災(zāi)難警報策略成為可能”的文章，這篇文章是2016年化學工程師學會全球大獎賽決賽中一位選手研究項目的一部分。

    研究者們在微囊中隔離了包含刺激熒光指示器的液體，然后將它們加入到聚合物材料中。貝克曼研究院博士后研究員、該文章的第一作者Maxwell Robb說道：“我們已經(jīng)研發(fā)出了材料完整時無色無熒光的微囊，可以將它們嵌入材料中去，當材料出現(xiàn)損壞時，微囊將會釋放它們的有效負載并且變?yōu)闊晒猓@表明是時候該修理材料了。”

    新方法用了一種叫作聚集誘導發(fā)光（AIE）的熒光物質(zhì)，這種物質(zhì)會隨著指示器中液體逐漸凝固而逐漸變的更亮，并且在紫外光（UV）下可見。指示器這種依賴于物理狀態(tài)改變而不是化學反應(yīng)的獨一無二的機理，可以使得各種各樣的材料具有杰出的性能，并且使得不同種類的損壞可見。Li說：“這種系統(tǒng)的優(yōu)點就在于它的多功能性和它的敏感性，我們可以很容易地看出小至兩微米損壞引發(fā)的熒光信號。”

    此項研究是由英國石油公司（BP）資助的，它對帶有可以指示材料損壞的高分子涂層的輸油和輸氣管道十分感興趣。此項研究的目的是為了在最早的階段識別出損壞從而避免進一步的惡化，改善產(chǎn)品安全性和可依靠性，并且減少與定期維護檢查相關(guān)的壽命周期成本。

    研發(fā)團隊通過使用貝克曼顯微鏡套件中的儀器，可以研究微囊和不同材料的涂層，將它們圖像化，并且將熒光信號和損壞涂層的3D結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。

    Robb說：“這完全是一項跨學科的項目，掌握聚集誘導效應(yīng)并且設(shè)計微囊系統(tǒng)的化學過程是整個項目的起點。然后將這種技術(shù)應(yīng)用到實際材料和涂層中去，這大大依賴于材料科學與工程的專業(yè)技術(shù)。”

    自發(fā)材料系統(tǒng)（AMS）團隊包括化學專業(yè)的Sottos和Jeffrey Moore教授、航空航天工程的Scott White教授，他們一起完成了這項研究。他們的研究工作在自我故障檢測和自我修復材料領(lǐng)域引起了新發(fā)現(xiàn)。

    Moore說：“為了擠入涂層行業(yè)，有自我報警能力的材料一定要滿足一些標準：結(jié)構(gòu)必須簡單、不能改變傳統(tǒng)材料應(yīng)用的方式、執(zhí)行的功能也是一樣。我們的方法完全符合這一目標——新的自我報警功能僅僅由一種簡單的添加劑來實現(xiàn)。”

    這項研究的下一步是將損壞指示器和自我修復材料結(jié)合起來。Robb說：“如果將提前預知損壞發(fā)生的這項技術(shù)和可以修復材料損壞的自我修復材料結(jié)合起來，這真的十分強大。”

    Li說：“我們已經(jīng)研發(fā)出了刺激性熒光物質(zhì)和顏色改變指示器系統(tǒng)。我們的想法是將這些多頻道策略結(jié)合起來從而能使得這些材料能夠通過完整的聚合物壽命周期來監(jiān)控它們的機械完整性。”