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| 丝绸传感器可以加速发展用于基础设施、航空航天和消费领域的新材料 |
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不可见光下显示的实验中用于检测复合材料损伤的丝绸样例(左)。天然的普通真丝蛋白。看到的荧光是由已经存在于纤维蛋白质结构中的分子产生的(中)。由机械响应聚合物标记的丝纤维荧光，作为对遭受损伤或应力的反应(右)。对照样品没有机械响应聚合物。消费者想要省油的汽车和高性能的运动产品，市政府想要防风雨的桥梁，而制造商则希望采用更高效的方法来生产可靠的汽车和飞机。其实，大家需要的都是新型轻质节能复合材料，在长时间暴露于环境压力或结构性应力下不会开裂或破裂。为了使这一切成为可能，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经找到一种方法，可以将纳米级侵入式传感探针嵌入由环氧树脂和丝绸制成的轻质复合材料中。这种探针称为机械响应聚合物，可以加速产品测试，并能缩短和减少开发多种新型复合材料所需的时间和材料。这个NIST团队生产的探针利用了一种称为罗丹明螺内酯(RS)的染料，这种染料受到力的作用后，会从暗态变为亮态。在这个实验中，这种分子附着到包含在环氧基复合物内部的丝纤维上。当这种复合材料受到的力越来越大时，应力和应变激活了RS，使其在激光激发下发出荧光。虽然肉眼看不到这种变化，但是NIST设计并制造了一种红色激光器和硬度计，可以在复合材料内部拍照，甚至能够显示其内部细微的断裂和裂缝，并揭示纤维上产生的断裂点。实验结果已在材料新刊Advanced Materials Interfaces(《先进材料界面》)上发表。用于设计生产复合材料的材料多种多样。在自然界中，像蟹壳或象牙(骨)这样的复合材料是由蛋白质和多糖组成的。此项研究使用的复合材料是由环氧树脂与丝纤维结合而成的，而这种丝纤维是由牛津大学Fritz Vollrath教授团队使用家蚕制成的。纤维增强聚合物复合材料(如本研究中使用的复合材料)将各主要组分的优点集于一身，即纤维的强度和聚合物的韧性。但是，所有的复合材料都面临一个相同的问题，即相邻组分之间存在的界面。这个界面的弹性对于复合材料抵御破坏的能力至关重要。设计师和制造商普遍都青睐薄而柔韧的界面，但是要想测量复合材料中这种界面的性质却非常困难。NIST研究团队的主要研究人员Jeffrey Gilman说：“一直以来我们都有办法测量复合材料的宏观特性。但几十年来我们面临的挑战一直都是如何判断界面内部到底发生了什么。”一种办法是光学成像。然而，传统的光学成像方法只能记录200~400纳米的图像。一些界面的厚度只有10~100纳米，因此，这种技术在复合材料中的界面成像方面显得有些无效。但是，通过在界面安装RS探针，研究人员就能够使用光学硬度计仅在界面处“看到”损坏。通过机械变形激活单根纤维束丝绸环氧树脂界面处的机械响应聚合物。该NIST研究团队正在计划扩大研究范围，探索如何将这种探针用于其他种类的复合材料。他们还希望使用这种传感器来增强这些复合材料承受极端寒冷和高温的能力。市场上对于能够承受长时间暴露在水中的复合材料也有巨大的需求，特别是用于建造更具弹性的基础设施部件，例如桥梁和风力涡轮机的巨型叶片。该研究团队还计划继续寻找更多办法，以利用这种侵入式传感器来改进现有复合材料的标准，并为未来复合材料创造新的标准，确保这些材料安全、牢固、可靠。据Gilman介绍，这种侵入式传感器可以帮助优化不同应用领域的复合材料。如果你试图改变设计，你就可以通过这种方式弄清楚你所做的改变到底是改善还是削弱了复合材料的界面。这项研究还得到了美国空军科学研究办公室和陆军研究办公室的协议资助。——编译：李莉萍
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