就像一段10000英里的旅程从第一步开始一样，导致材料灾难性失效的变形和断裂，也是从一些分子被扯离原位开始的。这进而导致了越来越大范围的级联损伤，最终导致机械完全崩溃。对于研究如何为从飞机机翼、风力涡轮机叶片到人造膝关节等关键部件制造高强度复合材料的研究人员来说，这一过程非常重要。现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家和同事设计了一种方法，通过测量施加的力如何改变材料中分子的三维排列，来观察单分子水平上应变的影响。
博科园-科学科普：这项技术使用单分子超分辨率光学显微镜，可以分辨20纳米(一米的十亿分之一)范围内的物体——大约是传统光学显微镜最清晰聚焦所能看到物体的十分之一。这种新方法检测了一种掺杂了荧光分子的聚合物，荧光分子在被另一种波长的光照射时，会发出一种波长的光。发出光的图像不仅揭示了分子的位置，而且还揭示了分子水平和垂直的方向。2014年诺贝尔化学奖得主超分辨率显微镜被广泛应用于生物医学领域。NIST科学家J. Alexander Liddle说：但是我们开始想知道在材料领域你能用它做什么。也就是说，在变形或破坏的最初阶段，我们如何在分子水平上看到发生了什么？
为了在分子水平上研究材料的失效，研究人员将不同方向的单分子计算图像(左)与实验图像(右)进行比较，以确定样品中荧光分子的三维排列。图片：NIST
如果这些机制能够被理解，研究人员也许能够设计出更好的复合材料来抑制失败。复合材料被广泛应用于工业中以增加强度和减轻重量。例如，波音787飞机机身中一半的重量材料是碳纤维增强塑料和其他复合材料。对于许多这样的材料，很难看到早期的损害，因为没有可见的标记来跟踪其影响。为了在实验中提供这些标记，研究人员使用了一种非常薄的聚合物薄膜，这种聚合物存在于树脂和有机玻璃中，掺杂了数千种荧光分子。最初，聚合物是无应力的，嵌入的荧光分子在三维空间中是完全随机的方向。然后，科学家们对聚合物施加作用力，使其在可控的特定方向上发生变形。
当聚合物被拉伸时，嵌入的荧光分子随变形而移动，失去随机方向，与损伤路径对齐。这条路径是通过观察嵌入其中的荧光分子发出光的模式而变得可见，这些荧光分子的行为就像一系列指向前方的小手电筒。在实验之前，科学家们使用了一个数学模型来预测不同三维排列分子发出的光会是什么样子。当照亮荧光分子并对发出的光成像时，结果与模型相符。在大约10000次光照周期后，出现了显示变形程度的指示模式。利德尔说：这有点像点彩画家的画，每个点组成一个形状。除了这项技术与基本复合材料的设计有明显的相关性外，它还可能在医学上应用。
在这幅图像中，200纳米(纳米，十亿分之一米)的方形图像中，箭头的大小和方向显示了单个荧光分子的平均局部排列，这是由于一个方形冲孔(灰色虚线的大小)进入材料，然后以一个角度向图像顶部拉出所产生的应变。图片：NIST
假设有一个新的生物植入物——例如，膝盖置换，为了使它具有生物相容性，它很可能是由软聚合物制成的，但也希望该设备具有良好的机械性能。想让它操作起来很容易，同时又很硬。这项技术可以帮助设计，使所使用的材料具有优异的机械强度。未来的研究有许多途径，这项技术是一项事后研究，因为我们可以在材料已经发生损伤后再进行观察。下一步可能是学习如何实时执行这项工作，不仅要观察损害发生在哪里，还要观察何时发生，Liddle团队也在开发一种改进的成像技术。
它涉及到同时制作两个图像集——一个在掺杂聚合物的每一边。一方面，成像是由上述方法产生。另一方面，一个单独的透镜从材料中收集荧光，并将其分成四个不同的偏振通道，由于发射光的偏振性受到荧光分子方向影响，如果测量每个通道的光强比，就能知道分子指向哪个方向，这将给我们一个独立的方向衡量标准。此外，科学家们希望将分辨率提高到原来的5倍，这样就可以拍摄到几纳米大小的区域。这可以通过增加荧光分子的亮度来实现，或许可以通过减少它们暴露在氧气中来阻断荧光。
博科园-科学科普｜研究/来自: 美国国家标准与技术研究所
参考期刊文献:《Materials Horizons》
DOI: 10.1039/c8mh01187g
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