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鱼鳞变色石墨烯:一体式损伤检测的新方向

这是一种从鱼鳞中获得灵感仿生涂料,借用最前沿的石墨烯材料使它成为现实,建筑和交通工具中的结构缺陷都会在它的面前暴露无遗。

受鱼类皮肤中天然虹色启发,德国科学家研究出了一种可在扭曲变形时改变颜色的石墨烯基材涂层。它提供了一种简便方法,能警告建筑物、桥梁和其他结构物中所藏有的隐性损坏。

许多材料都由化工颜料着色,这些成分会吸收特定波长的光并反射其余的光,也就是我们通常所见的“颜色”。另一些材料的色彩则是由周期性排布的微观表面结构生成。而这些结构会造成反射光之间的干涉,使其在某些特定可见光频率被放大。这种呈现方式存在于自然界最活跃的材料之中,从鱼鳞到孔雀羽毛、蝴蝶翅膀和软体动物的皮肤。

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     受这些例子启发,莱布尼茨聚合物研究所高尚林领导的团队开发了一种由纳米级石墨烯薄片组成的结构性色彩涂层。高尚林说:“材料变形会引起颜色的变化,因此这种新材料就像某种交通指示灯,能够警示出建筑物和交通工具中的隐性损坏。

    一般情况下,涂层为红色,产生变形时会略显黄色,当开裂达到微米级别时则会变为绿色。这种变色能力来自于包覆着玻璃纤维的半透明平行层状石墨烯薄片的精准初始定向性质。在压力下,这些层结构压缩变扁,从而改变了反射光的干涉和颜色。

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    结构性损坏往往始于一些微小的开裂和变形,高尚林解释道:“通常来说,这些微米级的裂纹很难被检测到。”当这些难以察觉的缺陷积累到一定程度时,最终可能导致突发的灾难性崩塌和严重事故的发生。而在建筑甚至是交通工具表面涂上高尚林的这种材料后,损坏初期就能得到清晰可见的警告。

     美国加利福利亚大学伯克利分校微观及纳米光子学家迈克尔巴特尔(Michael Bartl)对此项成果表示赞扬,“这种材料潜力巨大,可以把它当作非破坏性集成传感器,用以监测那些在建筑、汽车和飞机中所使用的复合材料的状况”他说道。

“但要想真正应用于现实,我们还需对这种涂层材料的性能和功能表现有更多的了解”高尚林补充道。


文章来源:化学加微信公众号