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[分享]发光纳米复合纤维诞生 有望广泛应用（2013-08-27 17:24:55）

标签：复合纤维 纳米 纤维  

在设计未来更强韧的纳米多聚材料时，荧光四针纳米晶体有望大显身手。美国能源部（DOE）劳伦斯伯克利国家实验室在四针量子点的基础上，将先进的光学与力学传感技术结合在一起，开发出一种会发光的纳米复合纤维，不仅能精确监控纤维本身的抗张力程度，而且把对其力学属性的影响降到了最低水平。相关论文发表在最近出版的《纳米快报》上。

会发光的纳米纤维

多聚纳米复合物纤维是一种填充了纳米粒子的多聚材料，纳米粒子遍布在整个纤维基质中，使其力学性能普遍增强，在生物医学、材料学等众多领域有很大的应用潜力。然而，由于人们对这种纤维在微观尺度的应力反应还知之甚少，大大阻碍了对这种材料的合理设计。

“理解多聚纤维和纳米填充物之间的反应，以及应力是怎样通过屏障传播的，是合成这种材料的关键。”伯克利实验室的鲍尔·埃利维萨托斯说， “现有的能提供这些信息的技术都有缺点，比如改变多聚物分子组成和结构，这样可能会削弱纤维的力学性能，如强韧性等。我们希望能开发出一种会发光的应力传感纳米粒子，并找到一种方法把它们嵌入多聚纤维中，将力学影响降到最小。”

新研究由埃利维萨托斯和加州大学纳米技术教授希拉·拉里等人领导，他们利用静电纺丝技术将半导体的四针量子点（tQDs）结合进多聚纤维中，成为一种多聚纳米复合纤维。这种纤维受到外力时会变形，四针量子点的荧光色彩会随之改变，即使四针量子点含量低时也很容易看出来。如果提高粒子含量，荧光色彩会更明亮。

荧光四针量子点

四针量子点是埃利维萨托斯和研究小组早期开发出来的，这种量子点有1个硒化镉（CdSe）核心和4个硫化镉（CdS）“手臂”，作为纳米级应力传感器极为合适。当施加外力时，四针量子点的“手臂”会被弯曲，使它们的荧光颜色发生改变。而用于静电纺丝的大静电场也让量子点在纤维中均匀一致地分布，使应力集中变得最小，而应力集中会降低多聚纤维的力学性能。

“四针量子点能发出荧光，不仅能监测简单的单轴向应力，还能监测应力松弛和纤维载荷循环变化情况下的表现。而且四针量子点有弹性可恢复，即使经过多次载荷循环直到纤维断裂，其传感能力也不会发生持久性改变。”埃利维萨托斯说。 

静电纺丝技术

静电纺丝是目前加工多聚物的一种主要技术，给多聚物溶液施加大电场，以此生成微细的纳米纤维。而新研究首次将这种技术用在了四针量子点上。埃利维萨托斯说：“静电纺丝工艺让我们能把大量的四针量子点——可达到总重量的20%——纺入纤维，而对多聚纤维主体的力学性质影响甚微。”

两年前研究小组用四针量子点做应力探测器时，用的是扩散式技术。而静电纺丝工艺让多聚纤维与量子点更紧密地结合在一起，四针量子点含量也更高。“我们还用传统的拉伸测试仪对所有类型的多聚纤维进行了检测。”论文领导作者拉亚说，“四针量子点改变了纤维的成分，使它不再是纯净的聚乳酸，而是一种混合物——我们发现混合物的机械性能和未混合前相比只有很小的改变。”

四针量子点是一种非扰动式探测，可在不对纤维造成损害的情况下进行应力检测。论文合著者奥森说：“开发新型多聚纳米材料的一个最大优点就是，用四针量子点来监控应力，能在纤维断裂之前就看到它是怎么随力量变化而变化的。此外，四针量子点还有助于开发出新的智能材料，帮人们区别一种材料本来就没有所需的纳米粒子的性质，还是由于超出了正常使用范围过度变形而无法表现出那些性质。”

智能纤维应用广泛

由于这些独特的性质，多聚纳米纤维还能作为四针量子点探测器，为诸多生物、成像技术以及材料工程领域提供广泛的应用。

在生物学应用方面，四针量子点能反应出纳牛顿的应力，这个级别是活细胞在体内运动所产生的力度，比如癌细胞在转移时施加于细胞外基质的力，其他还有成纤维细胞修复伤口、心肌细胞跳动等产生的力。

“所有这些细胞产生的力都在纳牛顿范围，要检测出来是极为困难的。”拉亚说，“现在研究还只是初步阶段，我们已经证明把心肌细胞放在一层四针量子点上使其跳动，在心肌细胞跳动的位置会显出荧光颜色的改变。这可以扩展到更多生物学相关的环境中，研究化疗和药物治疗癌细胞扩散的效果。”

其他潜在应用还包括用四针量子点制造智能多聚纳米材料，这种智能材料能感知自己的断裂或将要断裂，并能作出反应提高自身强度。

“利用这种技术，我们把光学传感和纳米复合材料的机械可调性这两个领域结合在了一起。”拉亚说，“由于四针量子点的强度是极高的，比普通多聚物的强度要高几个数量级，最终它们可用来制造更强韧的、能自我监控显示的界面。”