Estas simulaciones por computadora a escala de átomo de tetrápodos muestran cómo detectan la compresión (izquierda) y la tensión a lo largo de un eje (derecha), ambos son cruciales para detectar la formación de grietas a nanoescala. La barra de color indica el cambio porcentual del volumen de los tetrápodos. Crédito:Berkeley Lab
Emisor de luz Los nanocristales de cuatro brazos podrían algún día formar la base de un sistema de alerta temprana en materiales estructurales al revelar grietas microscópicas que presagian fallas. gracias a investigaciones recientes de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y UC Berkeley.
Los investigadores incorporaron puntos cuánticos en forma de tetrápodo, que son partículas semiconductoras de tamaño nanométrico, en una película de polímero. Los núcleos de los tetrápodos emiten luz fluorescente cuando sus brazos están torcidos o deformados. Esto indica que el polímero está sufriendo un grado de deformación por tracción o compresión, a partir de la cual se puede detectar la tensión sobre las regiones del material a escala submicrométrica. Tal tensión puede hacer que las grietas a nanoescala se conviertan en fallas macroscópicas. Las pruebas iniciales muestran que los tetrápodos pueden pedalear más de 20 veces sin perder su capacidad de sentir el estrés. y no degradan la fuerza del polímero en el que están matriculados.
Hasta ahora, los científicos han probado su enfoque en el laboratorio, pero en la práctica, todo lo que se necesitaría para detectar la advertencia fluorescente de los tetrápodos es un espectrómetro portátil. Una persona podría apuntar con un espectrómetro a una viga de acero, ala de avion, o cualquier material que tenga los tetrápodos incrustados en su interior, y el espectrómetro podría detectar potencialmente grietas incipientes de solo 100 nanómetros de largo.
"Esta es la escala de longitud a la que se desarrollan las grietas, que es cuando quieres atraparlos, mucho antes de que el material falle, "dice Shilpa Raja, quien realizó la investigación mientras era afiliada en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y estudiante de doctorado en UC Berkeley. Raja es ahora un becario postdoctoral en la Universidad de Stanford. Robert Ritchie y Paul Alivisatos, también de la División de Ciencias de los Materiales y UC Berkeley, son los coautores correspondientes de un artículo sobre esta investigación publicado en línea en la revista Nano letras (2016, vol. dieciséis, número 8, págs. 5060-5067).
"Nuestro enfoque también podría ser un gran paso hacia los materiales inteligentes autorreparables. Los tetrápodos podrían combinarse con partículas de reparación de tamaño nanométrico para formar un material que detecta el estrés local y luego se repara a sí mismo". "agrega Raja.
Este esquema muestra una película de polímero tetrápodo antes y después de que se estire longitudinalmente. Las áreas naranjas son grupos de tetrápodos. Los científicos encontraron que el color de la luz emitida por los tetrápodos cambiaba cuando se estiraba el polímero. Crédito:Berkeley Lab
Además de las aplicaciones de materiales, los tetrápodos podrían usarse para detectar la presencia de células cancerosas en muestras de tejido porque las células cancerosas tienen propiedades mecánicas diferentes a las de las células sanas, como una mayor rigidez.
Para desarrollar la técnica, los científicos comenzaron con un polímero ampliamente utilizado en fuselajes y otras estructuras. Mezclaron nanocristales tetrápodos en el polímero y vertieron placas de la mezcla en placas de Petri. Luego, las losas se montaron en un probador de tracción y se expusieron a un láser. Esto permitió a los investigadores medir simultáneamente la fluorescencia y la tensión mecánica de la losa.
"Esta es una técnica de fabricación de bajo costo, y resultó en la mejor concordancia optomecánica entre la fluorescencia y las pruebas mecánicas detectadas por un nanocristal en una película, "dice Raja.
Raja dice que la forma de los tetrápodos los hace muy sensibles al estrés. Sus cuatro brazos actúan como antenas que eliminan el estrés de su entorno inmediato, amplificar el estrés, y transferirlo al núcleo. El color de la luz emitida por el núcleo indica el grado de tensión (y tensión) que sienten los brazos.
Su enfoque promete ser una gran mejora con respecto a las formas actuales de detectar el estrés a nanoescala en los materiales. particularmente en el campo. Esto se puede hacer en el laboratorio con técnicas como microscopía de fuerza atómica y técnicas de nano-indentación, pero estos requieren un ambiente muy controlado. En los últimos cinco años, Los científicos han desarrollado formas de convertir otras nanopartículas sensibles al estrés en materiales, pero estos métodos tienen una relación señal / ruido muy baja y no utilizan detección de luz visible. Además, algunos de estos enfoques degradan las propiedades mecánicas del material en el que están incrustados, o no pueden ir y venir, lo que significa que solo pueden dar una señal de advertencia una vez.
