消費者想要節(jié)能高效的車輛和高性能運動產(chǎn)品，市民想要有抗風化的橋梁，制造商想要用更有效的方式來制造可靠的汽車和飛機。人們需要的是即使長期暴露在環(huán)境壓力下，也不會發(fā)生破裂的新型輕質、節(jié)能的復合材料。為了實現(xiàn)這一需求，國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員研究出了一種新技術，能夠將納米尺度的損傷傳感探頭嵌入由環(huán)氧樹脂和絲綢制成的輕質復合材料中。

    號稱機械響應性聚合物的探針，可以加速產(chǎn)品測試過程，并盡可能地減少開發(fā)多種新型復合材料所要花費的時間和材料。

    NIST團隊使用被稱為若丹明內酰胺（rhodamine spirolactam，RS）的染料制作了這種探針，該染料在受到外加力時會發(fā)出熒光。在該實驗中，分子附著在環(huán)氧基復合材料所含的絲綢纖維上。隨著越來越多的力被施加到復合材料上，這些應力應變激活了RS，使其在受激光激發(fā)時發(fā)出熒光。雖然肉眼看不到這種變化，但采用由NIST構建和設計的紅色激光和顯微鏡可以拍攝到復合材料內部的照片，甚至能夠顯示其內部最微小的斷裂和裂縫，并檢測到纖維斷裂的位置。這一成果被發(fā)布在了Advance Materials Interfaces雜志上。

    照片：在黑光下用絲綢實驗探測復合材料中損傷的實例。（左）家蠶蛹的普通蠶絲蛋白。觀察到的熒光是由存在于纖維蛋白質結構中的分子的作用產(chǎn)生的。（中）機械響應性聚合物標記的絲綢纖維響應于損傷或應激而發(fā)出熒光。（右）沒有機械響應性聚合物的對照試樣。

    復合材料設計中使用的材料是多種多樣的。本質上，復合材料如螃蟹殼或象牙（骨）是由蛋白質和多糖組成的。而在這項研究中，環(huán)氧樹脂與牛津大學Fritz Vollrath教授研究小組使用家蠶蠶蛹編制出的絲綢長絲相結合形成了一種新的復合材料。本研究中使用的纖維增強基聚合物復合材料結合了其主要組分最優(yōu)異的性能—纖維的強度和聚合物的韌性。然而，所有復合材料具有的共同之處是各組分相接觸的部位都有界面存在。該界面的彈性對復合材料承受損壞的能力至關重要。薄而靈活的界面通常被設計者和制造商所青睞，但測量復合材料中界面的特性是非常具有挑戰(zhàn)性的。

    帶領研究小組在NIST進行相關工作的研究員Jeffrey Gilman說：“目前在研究測量復合材料宏觀特性的方法上已經(jīng)做了很多工作，但是在最近幾十年的時間里，所要面臨的挑戰(zhàn)是要確定在界面內部發(fā)生了什么。”

    一種方法是光學成像。然而，用于光學成像的常規(guī)方法僅能夠在小至200-400 nm的尺度上記錄圖像。但一些界面的厚度只有10至100 nm，使得這項技術對于復合材料中的相間成像而言幾乎無效。而通過在界面上安裝RS探頭，研究人員就能夠使用光學顯微鏡在界面上“看到”損傷部位。

    NIST研究團隊正計劃擴大他們的研究，以探索如何將這種探針用于其他種類的復合材料。他們還想使用這種傳感器來增強復合材料承受極端寒冷和炎熱的能力。同時，迫切需要復合材料具備可以長時間暴露于水的能力，特別是用于建造更具彈性的基礎設施部件，例如橋梁和風力渦輪機的巨型葉片。

    研究團隊計劃繼續(xù)尋找更多途徑，可以改進現(xiàn)有復合材料的標準，并為未來復合材料創(chuàng)建新標準，以確保這些材料的安全、堅固和可靠性。Gilman說：“我們現(xiàn)在有一個損傷傳感器，能夠幫助優(yōu)化具有不同用途的復合材料。如果你嘗試改進復合材料的設計，通過這個損傷傳感器你可以判斷你所做的更改是增強了復合材料的界面，還是削弱了它。”

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責任編輯：劉洋

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