Lichtgevend, vierarmige nanokristallen zouden ooit de basis kunnen vormen van een systeem voor vroegtijdige waarschuwing in structurele materialen door microscopisch kleine scheurtjes aan het licht te brengen die falen voorspellen, dankzij recent onderzoek door wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley van het Amerikaanse Department of Energy.

De onderzoekers hebben tetrapod-vormige kwantumstippen ingebed, die halfgeleidende deeltjes in nanogrootte zijn, in een polymeerfilm. De kernen van de tetrapoden zenden fluorescerend licht uit wanneer hun armen worden gedraaid of uit vorm worden gebogen. Dit geeft aan dat het polymeer een mate van trek- of drukspanning ondergaat, waaruit spanning over sub-micronschaalgebieden van het materiaal kan worden gedetecteerd. Dergelijke spanningen kunnen ervoor zorgen dat scheuren op nanoschaal zich ontwikkelen tot macroscopisch falen. Uit de eerste tests blijkt dat de tetrapoden meer dan 20 keer kunnen fietsen zonder hun vermogen om stress te voelen te verliezen, en ze verslechteren de sterkte van het polymeer waarin ze zijn gematrixeerd niet.

Tot nu toe hebben de wetenschappers hun aanpak getest in het laboratorium, maar in de praktijk alles wat nodig zou zijn om de fluorescerende waarschuwing van de tetrapoden te detecteren, is een kant-en-klaar, draagbare spectrometer. Een persoon kan een spectrometer op een stalen balk richten, vliegtuig vleugel, of enig materiaal waarin de tetrapoden zijn ingebed, en de spectrometer zou mogelijk beginnende scheuren kunnen detecteren die slechts 100 nanometer lang zijn.

"Dit is de lengteschaal waarop scheuren ontstaan, dat is wanneer je ze wilt vangen, ruim voordat het materiaal faalt, " zegt Shilpa Raja, die het onderzoek uitvoerde terwijl ze een filiaal was in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een PhD-student aan UC Berkeley. Raja is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University. Robert Ritchie en Paul Alivisatos, ook van de Materials Sciences Division en UC Berkeley, zijn de co-corresponderende auteurs van een artikel over dit onderzoek dat online in het tijdschrift is gepubliceerd? Nano-letters (2016, vol. 16, nummer 8, pag. 5060-5067).

"Onze aanpak zou ook een grote stap kunnen zijn in de richting van zelfherstellende slimme materialen. De tetrapoden kunnen worden gekoppeld aan reparatiedeeltjes van nanogrootte om een ​​materiaal te vormen dat lokale stress detecteert en zichzelf vervolgens herstelt, ’ voegt Raja toe.

Naast materiaaltoepassingen, de tetrapoden kunnen mogelijk worden gebruikt om de aanwezigheid van kankercellen in weefselmonsters te detecteren, omdat kankercellen andere mechanische eigenschappen hebben dan gezonde cellen, zoals een verhoogde stijfheid.

Om de techniek te ontwikkelen, de wetenschappers begonnen met een polymeer dat veel wordt gebruikt in casco's en andere constructies. Ze mengden tetrapod nanokristallen in het polymeer en wierpen platen van het mengsel in petrischalen. De platen werden vervolgens gemonteerd in een trekbank en blootgesteld aan een laser. Hierdoor konden de onderzoekers tegelijkertijd de fluorescentie en mechanische stress van de plaat meten.

"Dit is een goedkope fabricagetechniek, en het resulteerde in de beste optomechanische overeenkomst tussen fluorescentie en mechanische tests waargenomen door een nanokristal in een film, ' zegt Radja.

Raja zegt dat de vorm van de tetrapoden ze erg gevoelig maakt voor stress. Hun vier armen fungeren als antennes die stress uit hun directe omgeving halen, de spanning versterken, en breng het naar de kern. De kleur van het licht dat door de kern wordt uitgestraald, geeft de mate van stress (en spanning) aan die door de armen wordt gevoeld.

Hun aanpak belooft een grote verbetering te zijn ten opzichte van de huidige manieren om stress op nanoschaal in materialen te detecteren, vooral in het veld. Dit kan in het laboratorium met technieken als atoomkrachtmicroscopie en nano-inspringtechnieken, maar deze vereisen een zeer gecontroleerde omgeving. In de afgelopen vijf jaar, wetenschappers hebben manieren ontwikkeld om andere stressgevoelige nanodeeltjes in materialen te matrixen, maar deze methoden hebben een zeer lage signaal-ruisverhouding en maken geen gebruik van detectie van zichtbaar licht. In aanvulling, sommige van deze benaderingen verslechteren de mechanische eigenschappen van het materiaal waarin ze zijn ingebed, of ze kunnen niet heen en weer fietsen, wat betekent dat ze maar één keer een waarschuwingssignaal kunnen geven.