Queste simulazioni al computer su scala atomica di tetrapodi mostrano come percepiscono la compressione (a sinistra) e la tensione lungo un asse (a destra), entrambi sono fondamentali per rilevare la formazione di crepe su scala nanometrica. La barra dei colori indica la variazione percentuale del volume dei tetrapodi. Credito:Berkeley Lab
Emettitore di luce, i nanocristalli a quattro braccia potrebbero un giorno costituire la base di un sistema di allerta precoce nei materiali strutturali rivelando crepe microscopiche che fanno presagire guasti, grazie alla recente ricerca di scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
I ricercatori hanno incorporato punti quantici a forma di tetrapodi, che sono particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche, in un film polimerico. I nuclei dei tetrapodi emettono luce fluorescente quando le loro braccia sono attorcigliate o deformate. Ciò indica che il polimero sta subendo un grado di deformazione a trazione o compressione, da cui è possibile rilevare lo stress su regioni a scala sub-micronica del materiale. Tale stress può causare lo sviluppo di crepe su scala nanometrica in un guasto macroscopico. I test iniziali mostrano che i tetrapodi possono pedalare più di 20 volte senza perdere la loro capacità di percepire lo stress, e non degradano la resistenza del polimero in cui sono matrici.
Finora gli scienziati hanno testato il loro approccio in laboratorio, ma in pratica tutto ciò che sarebbe necessario per rilevare l'avvertimento fluorescente dei tetrapodi è un prodotto standard, spettrometro portatile. Una persona potrebbe puntare uno spettrometro su una trave d'acciaio, ala di aeroplano, o qualsiasi materiale che ha i tetrapodi incorporati all'interno, e lo spettrometro potrebbe potenzialmente rilevare crepe incipienti lunghe solo 100 nanometri.
"Questa è la scala di lunghezza alla quale si sviluppano le crepe, che è quando vuoi prenderli, ben prima che il materiale si guasti, "dice Shilpa Raja, che ha condotto la ricerca mentre era affiliata alla divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e studentessa di dottorato presso l'UC Berkeley. Raja è ora uno studioso post-dottorato alla Stanford University. Robert Ritchie e Paul Alivisatos, anche della Divisione di Scienze dei Materiali e dell'UC Berkeley, sono gli autori corrispondenti di un articolo su questa ricerca pubblicato online sulla rivista Nano lettere (2016, vol. 16, numero 8, pagg. 5060-5067).
"Il nostro approccio potrebbe anche essere un grande passo verso materiali intelligenti autorigeneranti. I tetrapodi potrebbero essere accoppiati con particelle di riparazione di dimensioni nanometriche per formare un materiale che rileva lo stress locale e quindi si ripara da solo, "aggiunge Raja.
Questo schema mostra un film di polimeri tetrapodi prima e dopo essere stato allungato nel senso della lunghezza. Le aree arancioni sono gruppi di tetrapodi. Gli scienziati hanno scoperto che il colore della luce emessa dai tetrapodi cambiava quando il polimero veniva allungato. Credito:Berkeley Lab
Oltre alle applicazioni dei materiali, i tetrapodi potrebbero essere potenzialmente utilizzati per rilevare la presenza di cellule cancerose in campioni di tessuto perché le cellule cancerose hanno proprietà meccaniche diverse rispetto alle cellule sane, come una maggiore rigidità.
Per sviluppare la tecnica, gli scienziati hanno iniziato con un polimero ampiamente utilizzato nelle cellule dei velivoli e in altre strutture. Hanno mescolato nanocristalli tetrapodi nel polimero e hanno colato le lastre della miscela in piastre di Petri. Le lastre sono state quindi montate in un tensiometro ed esposte a un laser. Ciò ha permesso ai ricercatori di misurare contemporaneamente la fluorescenza della lastra e lo stress meccanico.
"Questa è una tecnica di fabbricazione a basso costo, e ha portato al miglior accordo optomeccanico tra fluorescenza e test meccanici rilevati da un nanocristallo in un film, "dice Raja.
Raja dice che la forma dei tetrapodi li rende molto sensibili allo stress. Le loro quattro braccia fungono da antenne che prendono lo stress dal loro ambiente immediato, amplificare lo stress, e trasferirlo nel nucleo. Il colore della luce emessa dal nucleo indica il grado di stress (e sforzo) avvertito dalle braccia.
Il loro approccio promette di essere un grande miglioramento rispetto ai modi attuali per rilevare lo stress su scala nanometrica nei materiali, particolarmente nel campo. Questo può essere fatto in laboratorio con tecniche come la microscopia a forza atomica e le tecniche di nano-indentazione, ma questi richiedono un ambiente molto controllato. Negli ultimi cinque anni, gli scienziati hanno sviluppato modi per matricolare altre nanoparticelle sensibili allo stress in materiali, ma questi metodi hanno un rapporto segnale-rumore molto basso e non utilizzano il rilevamento della luce visibile. Inoltre, alcuni di questi approcci degradano le proprietà meccaniche del materiale in cui sono incorporati, o non possono andare avanti e indietro, il che significa che possono dare un segnale di avvertimento solo una volta.
