材料中的“算命先生”——新方法预知材料缺陷

材料牛注：我们都想在危险来临之前预知到它，现在材料中的“算命先生”就可以帮到你。研究者们已经发现了新方法可以在故障完全出现之前识别材料中的微观缺陷，这将大大避免了一些灾难性事件发生。

如果你从来没让管道工来过你家，那你太幸运了。一般情况下，管道材料会逐渐出现凹痕而渐渐磨损，直到它很明显时已经太晚了。管道可能会在诸如零下温度的条件下出现毁灭性的爆裂，从而浪费了用户时间，对用户的使用造成不便。

但是在我们必须寻求帮助之前，如果有方法可以识别那些经常发生的微观缺陷呢？

贝克曼高等科学技术研究所的AMS（Autonomous Materials Systems）团队最近发现了一种新的方法，这种方法可以在故障完全出现之前识别高分子和复合材料中的微观缺陷。

材料科学与工程专业的Nancy Sottos教授说：“小裂缝的自发指示可以为我们提供调停和修理的时间或者在灾难性故障出现之前替代损坏的部分，从而使得产品结构更加安全、更加可靠。”Nancy Sottos教授最近在ACS Central Science杂志上发表了一篇名为“聚集诱导发光可以使聚合物材料强大的灾难警报策略成为可能”的文章，这篇文章是2016年化学工程师学会全球大奖赛决赛中一位选手研究项目的一部分。

研究者们在微囊中隔离了包含刺激荧光指示器的液体，然后将它们加入到聚合物材料中。贝克曼研究院博士后研究员、该文章的第一作者Maxwell Robb说道：“我们已经研发出了材料完整时无色无荧光的微囊，可以将它们嵌入材料中去，当材料出现损坏时，微囊将会释放它们的有效负载并且变为荧光，这表明是时候该修理材料了。”

新方法用了一种叫作聚集诱导发光(AIE)的荧光物质，这种物质会随着指示器中液体逐渐凝固而逐渐变的更亮，并且在紫外光(UV)下可见。指示器这种依赖于物理状态改变而不是化学反应的独一无二的机理，可以使得各种各样的材料具有杰出的性能，并且使得不同种类的损坏可见。Li说：“这种系统的优点就在于它的多功能性和它的敏感性，我们可以很容易地看出小至两微米损坏引发的荧光信号。”

此项研究是由英国石油公司(BP)资助的，它对带有可以指示材料损坏的高分子涂层的输油和输气管道十分感兴趣。此项研究的目的是为了在最早的阶段识别出损坏从而避免进一步的恶化，改善产品安全性和可依靠性，并且减少与定期维护检查相关的寿命周期成本。

研发团队通过使用贝克曼显微镜套件中的仪器，可以研究微囊和不同材料的涂层，将它们图像化，并且将荧光信号和损坏涂层的3D结构联系起来。

Robb说：“这完全是一项跨学科的项目，掌握聚集诱导效应并且设计微囊系统的化学过程是整个项目的起点。然后将这种技术应用到实际材料和涂层中去，这大大依赖于材料科学与工程的专业技术。”

自发材料系统(AMS)团队包括化学专业的Sottos和Jeffrey Moore教授、航空航天工程的Scott White教授，他们一起完成了这项研究。他们的研究工作在自我故障检测和自我修复材料领域引起了新发现。

Moore说：“为了挤入涂层行业，有自我报警能力的材料一定要满足一些标准：结构必须简单、不能改变传统材料应用的方式、执行的功能也是一样。我们的方法完全符合这一目标——新的自我报警功能仅仅由一种简单的添加剂来实现。”

这项研究的下一步是将损坏指示器和自我修复材料结合起来。Robb说：“如果将提前预知损坏发生的这项技术和可以修复材料损坏的自我修复材料结合起来，这真的十分强大。”

Li说：“我们已经研发出了刺激性荧光物质和颜色改变指示器系统。我们的想法是将这些多频道策略结合起来从而能使得这些材料能够通过完整的聚合物寿命周期来监控它们的机械完整性。”

原文链接：New method to identify microscopic failure。

论文地址：A Robust Damage-Reporting Strategy for Polymeric Materials Enabled by Aggregation-Induced Emission

本文由编辑部杨洪期提供素材，樊超编译，点我加入材料人编辑部。