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  材料的應力應變特征是影響材料服役性能與失效方式的重要參數(shù)。開發(fā)應力應變的高效檢測手段是對整個材料科學領域具有重大價值的課題與方向。萬能試驗機是一種最常用的應力應變傳感器，可通過電信號實時輸出材料拉伸、彎曲、壓縮等過程中力與位移的關(guān)系。然而，萬能試驗機對試樣幾何尺寸有嚴格要求，同時儀器自身較為昂貴、結(jié)構(gòu)龐大，難以應用于不規(guī)則樣品或在實驗室外使用。

  近年來，研究者們開發(fā)了一系列更加簡便高效的柔性應力應變檢測裝置。其中，碳基材料傳感器把碳納米管或石墨烯等導電碳納米物質(zhì)加入到柔性基底中，利用其變形過程中導電率的變化來進行應變測量；將金屬導線沉積到柔性基底上，利用基底拉伸過程中金屬導電率的變化也可以實現(xiàn)實時應變檢測。導電高分子材料也被大量應用于應力應變傳感器的開發(fā)，如以離子凝膠為基礎的電阻型應變傳感器等。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，上述裝置均無法直接顯示應力應變，需要依賴額外信號讀取裝置；最關(guān)鍵的是，這些傳感器僅能輸出單一標量信號（電流、阻抗等），難以對待測樣品的復雜應力應變分布進行精確分辨。

圖1 受生物啟發(fā)的裸眼應力應變檢測貼

  近期，北京工業(yè)大學材料與制造學部趙治、宋曉艷教授團隊從自然界魷魚的變色機理獲得啟發(fā)，開發(fā)了一種全新的裸眼應力應變檢測貼。魷魚真皮中的虹細胞（iridophore）可通過改變其蛋白質(zhì)類物質(zhì)的分子堆積方式調(diào)節(jié)其光學特性。本研究提出可利用外力輔助的水凝膠可逆序構(gòu)實現(xiàn)類似的光學行為調(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特定閾值時會引發(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。這是因為外力誘導下的高分子定向排列拉近了疏水基團間距。外力輔助的水凝膠序構(gòu)可產(chǎn)生類似虹細胞的微觀結(jié)構(gòu)與光學特性，故將其命名為機械虹細胞（mechano-iridophore）。

圖2 仿生水凝膠的應力應變指示特性

圖4 新型應力應變檢測貼的自粘性、自愈合性與優(yōu)異機械性能

  NSV patch可對任意形狀基底的應力應變二維分布進行實時檢測，檢測空間分辨率可達100微米以上。同時，應力應變的變化是以光學信號輸出，因此可用裸眼進行直接讀取，或者利用手機小程序直接定量分辨（圖4）。這種新型的應力應變檢測模式有望在材料基礎研究、損傷診斷、材料失效風險預測等眾多領域發(fā)揮巨大作用。

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