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在設(shè)計(jì)未來更強(qiáng)韌的納米多聚材料時(shí)，熒光四針納米晶體有望大顯身手。美國能源部（DOE）勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室在四針量子點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將先進(jìn)的光學(xué)與力學(xué)傳感技術(shù)結(jié)合在一起，開發(fā)出一種會(huì)發(fā)光的納米復(fù)合纖維，不僅能精確監(jiān)控纖維本身的抗張力程度，而且把對其力學(xué)屬性的影響降到了最低水平。相關(guān)論文發(fā)表在最近出版的《納米快報(bào)》上。

會(huì)發(fā)光的納米纖維

多聚納米復(fù)合物纖維是一種填充了納米粒子的多聚材料，納米粒子遍布在整個(gè)纖維基質(zhì)中，使其力學(xué)性能普遍增強(qiáng)，在生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)等眾多領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。然而，由于人們對這種纖維在微觀尺度的應(yīng)力反應(yīng)還知之甚少，大大阻礙了對這種材料的合理設(shè)計(jì)。

“理解多聚纖維和納米填充物之間的反應(yīng)，以及應(yīng)力是怎樣通過屏障傳播的，是合成這種材料的關(guān)鍵。”伯克利實(shí)驗(yàn)室的鮑爾·埃利維薩托斯說，“現(xiàn)有的能提供這些信息的技術(shù)都有缺點(diǎn)，比如改變多聚物分子組成和結(jié)構(gòu)，這樣可能會(huì)削弱纖維的力學(xué)性能，如強(qiáng)韌性等。我們希望能開發(fā)出一種會(huì)發(fā)光的應(yīng)力傳感納米粒子，并找到一種方法把它們嵌入多聚纖維中，將力學(xué)影響降到最小�！�

新研究由埃利維薩托斯和加州大學(xué)納米技術(shù)教授希拉·拉里等人領(lǐng)導(dǎo)，他們利用靜電紡絲技術(shù)將半導(dǎo)體的四針量子點(diǎn)（tQDs）結(jié)合進(jìn)多聚纖維中，成為一種多聚納米復(fù)合纖維。這種纖維受到外力時(shí)會(huì)變形，四針量子點(diǎn)的熒光色彩會(huì)隨之改變，即使四針量子點(diǎn)含量低時(shí)也很容易看出來。如果提高粒子含量，熒光色彩會(huì)更明亮。

熒光四針量子點(diǎn)

四針量子點(diǎn)是埃利維薩托斯和研究小組早期開發(fā)出來的，這種量子點(diǎn)有1個(gè)硒化鎘（CdSe）核心和4個(gè)硫化鎘（CdS）“手臂”，作為納米級應(yīng)力傳感器極為合適。當(dāng)施加外力時(shí)，四針量子點(diǎn)的“手臂”會(huì)被彎曲，使它們的熒光顏色發(fā)生改變。而用于靜電紡絲的大靜電場也讓量子點(diǎn)在纖維中均勻一致地分布，使應(yīng)力集中變得最小，而應(yīng)力集中會(huì)降低多聚纖維的力學(xué)性能。

“四針量子點(diǎn)能發(fā)出熒光，不僅能監(jiān)測簡單的單軸向應(yīng)力，還能監(jiān)測應(yīng)力松弛和纖維載荷循環(huán)變化情況下的表現(xiàn)。而且四針量子點(diǎn)有彈性可恢復(fù)，即使經(jīng)過多次載荷循環(huán)直到纖維斷裂，其傳感能力也不會(huì)發(fā)生持久性改變�！卑＠�維薩托斯說。

靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲是目前加工多聚物的一種主要技術(shù)，給多聚物溶液施加大電場，以此生成微細(xì)的納米纖維。而新研究首次將這種技術(shù)用在了四針量子點(diǎn)上。埃利維薩托斯說：“靜電紡絲工藝讓我們能把大量的四針量子點(diǎn)——可達(dá)到總重量的20%——紡入纖維，而對多聚纖維主體的力學(xué)性質(zhì)影響甚微�！�

兩年前研究小組用四針量子點(diǎn)做應(yīng)力探測器時(shí)，用的是擴(kuò)散式技術(shù)。而靜電紡絲工藝讓多聚纖維與量子點(diǎn)更緊密地結(jié)合在一起，四針量子點(diǎn)含量也更高。“我們還用傳統(tǒng)的拉伸測試儀對所有類型的多聚纖維進(jìn)行了檢測�！闭撐念I(lǐng)導(dǎo)作者拉亞說，“四針量子點(diǎn)改變了纖維的成分，使它不再是純凈的聚乳酸，而是一種混合物——我們發(fā)現(xiàn)混合物的機(jī)械性能和未混合前相比只有很小的改變�！�

四針量子點(diǎn)是一種非擾動(dòng)式探測，可在不對纖維造成損害的情況下進(jìn)行應(yīng)力檢測。論文合著者奧森說：“開發(fā)新型多聚納米材料的一個(gè)最大優(yōu)點(diǎn)就是，用四針量子點(diǎn)來監(jiān)控應(yīng)力，能在纖維斷裂之前就看到它是怎么隨力量變化而變化的。此外，四針量子點(diǎn)還有助于開發(fā)出新的智能材料，幫人們區(qū)別一種材料本來就沒有所需的納米粒子的性質(zhì)，還是由于超出了正常使用范圍過度變形而無法表現(xiàn)出那些性質(zhì)�！�

智能纖維應(yīng)用廣泛

由于這些獨(dú)特的性質(zhì)，多聚納米纖維還能作為四針量子點(diǎn)探測器，為諸多生物、成像技術(shù)以及材料工程領(lǐng)域提供廣泛的應(yīng)用。

在生物學(xué)應(yīng)用方面，四針量子點(diǎn)能反應(yīng)出納牛頓的應(yīng)力，這個(gè)級別是活細(xì)胞在體內(nèi)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的力度，比如癌細(xì)胞在轉(zhuǎn)移時(shí)施加于細(xì)胞外基質(zhì)的力，其他還有成纖維細(xì)胞修復(fù)傷口、心肌細(xì)胞跳動(dòng)等產(chǎn)生的力。

“所有這些細(xì)胞產(chǎn)生的力都在納牛頓范圍，要檢測出來是極為困難的�！崩瓉喺f，“現(xiàn)在研究還只是初步階段，我們已經(jīng)證明把心肌細(xì)胞放在一層四針量子點(diǎn)上使其跳動(dòng)，在心肌細(xì)胞跳動(dòng)的位置會(huì)顯出熒光顏色的改變。這可以擴(kuò)展到更多生物學(xué)相關(guān)的環(huán)境中，研究化療和藥物治療癌細(xì)胞擴(kuò)散的效果。”

其他潛在應(yīng)用還包括用四針量子點(diǎn)制造智能多聚納米材料，這種智能材料能感知自己的斷裂或?qū)⒁獢嗔眩�并能作出反�?yīng)提高自身強(qiáng)度。

“利用這種技術(shù)，我們把光學(xué)傳感和納米復(fù)合材料的機(jī)械可調(diào)性這兩個(gè)領(lǐng)域結(jié)合在了一起。”拉亞說，“由于四針量子點(diǎn)的強(qiáng)度是極高的，比普通多聚物的強(qiáng)度要高幾個(gè)數(shù)量級，最終它們可用來制造更強(qiáng)韌的、能自我監(jiān)控顯示的界面�！�

（來源：科技日報(bào)）