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  材料的應(yīng)力應(yīng)變特征是影響材料服役性能與失效方式的重要參數(shù)。開(kāi)發(fā)應(yīng)力應(yīng)變的高效檢測(cè)手段是對(duì)整個(gè)材料科學(xué)領(lǐng)域具有重大價(jià)值的課題與方向。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是一種最常用的應(yīng)力應(yīng)變傳感器，可通過(guò)電信號(hào)實(shí)時(shí)輸出材料拉伸、彎曲、壓縮等過(guò)程中力與位移的關(guān)系。然而，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣幾何尺寸有嚴(yán)格要求，同時(shí)儀器自身較為昂貴、結(jié)構(gòu)龐大，難以應(yīng)用于不規(guī)則樣品或在實(shí)驗(yàn)室外使用。

  近年來(lái)，研究者們開(kāi)發(fā)了一系列更加簡(jiǎn)便高效的柔性應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)裝置。其中，碳基材料傳感器把碳納米管或石墨烯等導(dǎo)電碳納米物質(zhì)加入到柔性基底中，利用其變形過(guò)程中導(dǎo)電率的變化來(lái)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量；將金屬導(dǎo)線沉積到柔性基底上，利用基底拉伸過(guò)程中金屬導(dǎo)電率的變化也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)應(yīng)變檢測(cè)。導(dǎo)電高分子材料也被大量應(yīng)用于應(yīng)力應(yīng)變傳感器的開(kāi)發(fā)，如以離子凝膠為基礎(chǔ)的電阻型應(yīng)變傳感器等。盡管上述方法取得了一定的成功，但仍存在系列技術(shù)局限。首先，這些傳感器的制備均需要經(jīng)歷較為復(fù)雜的工藝流程，工業(yè)生產(chǎn)成本與難度較高；其次，上述裝置均無(wú)法直接顯示應(yīng)力應(yīng)變，需要依賴額外信號(hào)讀取裝置；最關(guān)鍵的是，這些傳感器僅能輸出單一標(biāo)量信號(hào)（電流、阻抗等），難以對(duì)待測(cè)樣品的復(fù)雜應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行精確分辨。

圖1 受生物啟發(fā)的裸眼應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)貼

  近期，北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部趙治、宋曉艷教授團(tuán)隊(duì)從自然界魷魚的變色機(jī)理獲得啟發(fā)，開(kāi)發(fā)了一種全新的裸眼應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)貼。魷魚真皮中的虹細(xì)胞（iridophore）可通過(guò)改變其蛋白質(zhì)類物質(zhì)的分子堆積方式調(diào)節(jié)其光學(xué)特性。本研究提出可利用外力輔助的水凝膠可逆序構(gòu)實(shí)現(xiàn)類似的光學(xué)行為調(diào)控（圖1）。本組前期工作表明，丙烯酸/1,2-二胺型水凝膠體系中的多齒氫鍵密度超過(guò)特定閾值時(shí)會(huì)引發(fā)疏水自組裝與相分離，產(chǎn)生具有高度光散射能力的疏水相微結(jié)構(gòu)（Adv. Sci. 2023, 10, 202303315）。這一現(xiàn)象的根源是高密度多齒氫鍵拉近了疏水基團(tuán)的相互距離。最新研究發(fā)現(xiàn)，在外力作用下，丙烯酸/1,2-二胺型水凝膠體系也可產(chǎn)生疏水自組裝。這是因?yàn)橥饬φT導(dǎo)下的高分子定向排列拉近了疏水基團(tuán)間距。外力輔助的水凝膠序構(gòu)可產(chǎn)生類似虹細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性，故將其命名為機(jī)械虹細(xì)胞（mechano-iridophore）。

圖2 仿生水凝膠的應(yīng)力應(yīng)變指示特性

圖4 新型應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)貼的自粘性、自愈合性與優(yōu)異機(jī)械性能

  NSV patch可對(duì)任意形狀基底的應(yīng)力應(yīng)變二維分布進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)空間分辨率可達(dá)100微米以上。同時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變的變化是以光學(xué)信號(hào)輸出，因此可用裸眼進(jìn)行直接讀取，或者利用手機(jī)小程序直接定量分辨（圖4）。這種新型的應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)模式有望在材料基礎(chǔ)研究、損傷診斷、材料失效風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307582