Ljusavgivande, fyrarmade nanokristaller kan en dag utgöra grunden för ett system för tidig varning i strukturella material genom att avslöja mikroskopiska sprickor som visar på misslyckande, tack vare ny forskning av forskare från det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley.

Forskarna bäddade in tetrapodformade kvantprickar, som är halvledande partiklar i nanostorlek, i en polymerfilm. Tetrapodernas kärnor avger fluorescerande ljus när deras armar vrids eller böjs ur form. Detta indikerar att polymeren genomgår en grad av drag- eller tryckpåkänning, från vilken spänning över områden i submikronskala av materialet kan detekteras. Sådan stress kan göra att sprickor i nanoskala utvecklas till makroskopiska misslyckanden. Inledande tester visar att tetrapoderna kan cykla mer än 20 gånger utan att förlora sin förmåga att känna stress, och de försämrar inte hållfastheten hos polymeren i vilken de är matriserade.

Hittills har forskarna testat sin metod i labbet, men i praktiken allt som skulle behövas för att upptäcka tetrapodernas fluorescerande varning är en från hyllan, bärbar spektrometer. En person kan rikta en spektrometer mot en stålstråle, flygplansvinge, eller något material som har tetrapoderna inbäddade inuti, och spektrometern skulle potentiellt kunna upptäcka begynnande sprickor som bara är 100 nanometer långa.

"Detta är längdskalan där sprickor utvecklas, det är då du vill fånga dem, långt innan materialet misslyckas, " säger Shilpa Raja, som utförde forskningen medan hon var en filial i Berkeley Labs Materials Sciences Division och doktorand vid UC Berkeley. Raja är nu postdoktor vid Stanford University. Robert Ritchie och Paul Alivisatos, även av Materials Sciences Division och UC Berkeley, är medförfattarna till en artikel om denna forskning som publicerats online i tidskriften Nanobokstäver (2016, vol. 16, nummer 8, sid. 5060-5067).

"Vårt tillvägagångssätt kan också vara ett stort steg mot självläkande smarta material. Tetrapoderna kan kopplas ihop med reparationspartiklar i nanostorlek för att bilda ett material som känner av lokal stress och sedan reparerar sig själv, " tillägger Raja.

Förutom materialapplikationer, tetrapoderna skulle potentiellt kunna användas för att upptäcka förekomsten av cancerceller i vävnadsprover eftersom cancerceller har andra mekaniska egenskaper än friska celler, såsom ökad stelhet.

För att utveckla tekniken, forskarna började med en polymer som ofta används i flygplan och andra strukturer. De blandade tetrapod nanokristaller i polymeren och göt plattor av blandningen i petriskålar. Skivorna monterades sedan i en dragprovare och exponerades för en laser. Detta gjorde det möjligt för forskarna att samtidigt mäta plattans fluorescens och mekaniska spänningar.

"Detta är en billig tillverkningsteknik, och det resulterade i den bästa optomekaniska överensstämmelsen mellan fluorescens och mekaniska tester avkända av en nanokristall i en film, säger Raja.

Raja säger att tetrapodernas form gör dem mycket känsliga för stress. Deras fyra armar fungerar som antenner som tar stress från sin närmiljö, förstärker stressen, och överför den till kärnan. Färgen på ljuset som sänds ut av kärnan indikerar graden av stress (och belastning) som armarna känner.

Deras tillvägagångssätt lovar att bli en stor förbättring jämfört med nuvarande sätt att upptäcka stress i nanoskala i material, särskilt på fältet. Detta kan göras i labbet med tekniker som atomkraftsmikroskopi och nano-indragningstekniker, men dessa kräver en mycket kontrollerad miljö. Under de senaste fem åren, forskare har utvecklat sätt att matrisera andra stressavkännande nanopartiklar till material, men dessa metoder har ett mycket lågt signal-brusförhållande och använder inte detektering av synligt ljus. Dessutom, några av dessa tillvägagångssätt försämrar de mekaniska egenskaperna hos materialet de är inbäddade i, eller så kan de inte cykla fram och tillbaka, vilket innebär att de bara kan ge en varningssignal en gång.