就像一段10000英里的旅程從第一步開始一樣，導致材料災難性失效的變形和斷裂，也是從一些分子被扯離原位開始的。這進而導致了越來越大范圍的級聯(lián)損傷，最終導致機械完全崩潰。對于研究如何為從飛機機翼、風力渦輪機葉片到人造膝關(guān)節(jié)等關(guān)鍵部件制造高強度復合材料的研究人員來說，這一過程非常重要。

現(xiàn)在，美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)的科學家和同事設計了一種方法，通過測量施加的力如何改變材料中分子的三維排列，來觀察單分子水平上應變的影響。

博科園-科學科普：這項技術(shù)使用單分子超分辨率光學顯微鏡，可以分辨20納米(一米的十億分之一)范圍內(nèi)的物體——大約是傳統(tǒng)光學顯微鏡最清晰聚焦所能看到物體的十分之一。這種新方法檢測了一種摻雜了熒光分子的聚合物，熒光分子在被另一種波長的光照射時，會發(fā)出一種波長的光。發(fā)出光的圖像不僅揭示了分子的位置，而且還揭示了分子水平和垂直的方向。2014年諾貝爾化學獎得主超分辨率顯微鏡被廣泛應用于生物醫(yī)學領域。NIST科學家J. Alexander Liddle說：但是我們開始想知道在材料領域你能用它做什么。也就是說，在變形或破壞的最初階段，我們?nèi)绾卧诜肿铀缴峡吹桨l(fā)生了什么？

如果這些機制能夠被理解，研究人員也許能夠設計出更好的復合材料來抑制失敗。復合材料被廣泛應用于工業(yè)中以增加強度和減輕重量。例如，波音787飛機機身中一半的重量材料是碳纖維增強塑料和其他復合材料。對于許多這樣的材料，很難看到早期的損害，因為沒有可見的標記來跟蹤其影響。為了在實驗中提供這些標記，研究人員使用了一種非常薄的聚合物薄膜，這種聚合物存在于樹脂和有機玻璃中，摻雜了數(shù)千種熒光分子。最初，聚合物是無應力的，嵌入的熒光分子在三維空間中是完全隨機的方向。然后，科學家們對聚合物施加作用力，使其在可控的特定方向上發(fā)生變形。

當聚合物被拉伸時，嵌入的熒光分子隨變形而移動，失去隨機方向，與損傷路徑對齊。這條路徑是通過觀察嵌入其中的熒光分子發(fā)出光的模式而變得可見，這些熒光分子的行為就像一系列指向前方的小手電筒。在實驗之前，科學家們使用了一個數(shù)學模型來預測不同三維排列分子發(fā)出的光會是什么樣子。當照亮熒光分子并對發(fā)出的光成像時，結(jié)果與模型相符。在大約10000次光照周期后，出現(xiàn)了顯示變形程度的指示模式。利德爾說：這有點像點彩畫家的畫，每個點組成一個形狀。除了這項技術(shù)與基本復合材料的設計有明顯的相關(guān)性外，它還可能在醫(yī)學上應用。

假設有一個新的生物植入物——例如，膝蓋置換，為了使它具有生物相容性，它很可能是由軟聚合物制成的，但也希望該設備具有良好的機械性能。想讓它操作起來很容易，同時又很硬。這項技術(shù)可以幫助設計，使所使用的材料具有優(yōu)異的機械強度。未來的研究有許多途徑，這項技術(shù)是一項事后研究，因為我們可以在材料已經(jīng)發(fā)生損傷后再進行觀察。下一步可能是學習如何實時執(zhí)行這項工作，不僅要觀察損害發(fā)生在哪里，還要觀察何時發(fā)生，Liddle團隊也在開發(fā)一種改進的成像技術(shù)。

它涉及到同時制作兩個圖像集——一個在摻雜聚合物的每一邊。一方面，成像是由上述方法產(chǎn)生。另一方面，一個單獨的透鏡從材料中收集熒光，并將其分成四個不同的偏振通道，由于發(fā)射光的偏振性受到熒光分子方向影響，如果測量每個通道的光強比，就能知道分子指向哪個方向，這將給我們一個獨立的方向衡量標準。此外，科學家們希望將分辨率提高到原來的5倍，這樣就可以拍攝到幾納米大小的區(qū)域。這可以通過增加熒光分子的亮度來實現(xiàn)，或許可以通過減少它們暴露在氧氣中來阻斷熒光。

博科園-科學科普｜研究/來自: 美國國家標準與技術(shù)研究所

參考期刊文獻:《Materials Horizons》

DOI: 10.1039/c8mh01187g

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