科學家研發基於微膠囊的「自報告」材料，能檢測微小損傷和應力分佈，無需高端設備即可檢測材料受損

近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院高級研究員胡明翰和所在團隊開發出一種基於微膠囊的自報告材料，可以實時檢測和記錄材料表面的微小損傷和應力分佈。

這種材料能夠使用螢光信號清晰地顯示出受力的具體位置，就像一張「應力熱圖」，其解像度可精確到微米尺度。

這種特性使它特別適用於監測微觀力學變化，能夠幫助人們找到可能導致材料破壞的關鍵點。

具體來說，該課題組利用微流控技術製造了包含染料的微膠囊，並通過特殊的組裝方法將這些微膠囊排列成具有不同破裂強度的陣列。

這些陣列被嵌入到自報告材料中，當材料受到局部應力或損傷時，微膠囊破裂併發出螢光，從而能夠提供明確的視覺提示。

同時，這種方法適用於多種不同的材料表面，比如適用於柔性的矽橡膠薄層和硬質的環氧樹脂塗層。

通俗地說，他們研發了一種「會發光」的智能材料，當材料受到壓力時，嵌入其中的微膠囊會破裂併發出螢光信號。

這些膠囊就像一個個「報警器」，不僅能記錄微小的應力，還能讓這些變化以顏色的形式「顯現出來」。

從而幫助人們更直觀地瞭解材料內部發生的變化，比如什麼時候開始受力、哪些地方更容易損壞，進而能讓材料力學的研究和檢測變得更簡單和更精準，並有可能帶來許多實際應用。

例如，在生物醫學中，它可以幫助檢測軟組織損傷；在機器人領域，這些材料可以被用作智能「機器人皮膚」，實時地反饋外部環境的壓力變化。

此外，通過調整微膠囊的尺寸和排列方式，還可以實現更高的檢測解像度，甚至能夠在三維結構中捕捉應力變化。

如果在微膠囊中加入其他功能性成分例如修復劑，這種材料還能實現自我修復功能，為智能材料的應用打開更廣闊的可能性。

會「自我報告」的材料

胡明翰表示材料在使用中會出現微小損傷，如果不及時發現，可能會逐漸擴大，最終釀成大問題，就像「千里之堤，潰於蟻穴」一樣。

他們注意到，目前檢測材料內部受力情況需要用到很複雜的設備，這對很多應用來說並不方便。

比如，如何快速發現橋樑或飛機部件的潛在損傷？而現有技術在效果上，要麼太慢要麼不夠精確。

因此，他們希望研發一種簡單直接的方法，讓材料自己「報告」哪裡受到了壓力或即將損壞，以便更高效地保護材料和結構安全。

也就是說，他們希望開發一種能讓材料「自己報警」的方法，通過簡單的顏色變化，快速發現這些潛在的隱患，從而更好地保護材料和結構的安全。

即本研究旨在開發一種無需高端設備即可快速、精準檢測應力分佈的工具，為材料科學和結構健康監測提供新手段。

失敗 55 次的曙光

如前所述，該團隊希望設計這樣一種材料：當材料感受到不同程度的壓力時，能夠「自己開口說話」，通過顏色或光亮變化實時告訴人們哪裡出了問題。

而本次研究的過程好比從零開始建造一個「微型傳感器系統」，旨在幫助人們更好地觀察和記錄材料內部微小的壓力變化。

為了實現這個目標，他們想到「微膠囊」的概念：把染料包在非常小的膠囊里，這些膠囊在受到壓力時會破裂，釋放出不同的顏色。

更重要的是，這些膠囊需要有不同的「破裂閾值」，從而可以記錄輕微到強烈的各種壓力變化。為此，他們設想通過微小的光信號，將複雜的力學信息變得直觀、易讀。

研究中，他們使用了一種叫「微流控」的技術：這有點像一個微型工廠，可以非常精準地控制膠囊的大小和殼的厚度。

通過調整這些參數，該團隊造出了能夠承受不同強度壓力的微膠囊。這些微膠囊填充了特定顏色的螢光染料，同時也是整個系統的核心部件。

接下來，他們使用一種名為「毛細力輔助」的方法，把這些膠囊按順序組裝成小鏈條。

每個鏈條包含三種不同強度的膠囊，當施加壓力時，它們會按從弱到強的順序破裂並釋放顏色信號。

這就好比給每個鏈條賦予了一個「壓力感應等級」，不同的膠囊代表著不同的「報警閾值」。

然後，課題組把這些膠囊鏈嵌入材料中，並進行了一系列實驗。實驗結果非常理想：材料在受到壓力時，會顯示出局部的光信號，從而能夠幫助他們清晰地看到不同區域的壓力變化。

此外，這個系統的解像度可以達到微米級，幾乎能精確到每一小塊材料的應力情況。

研究中，該團隊的碩士生馬中騏面對的是一個全新的實驗體系，完全沒有實驗文獻可以參考，也無法借助 AI 或者機器學習來優化參數。

為了實現利用毛細力組裝微米膠囊的目標，馬中騏需要從零開始摸索。這是一個漫長而艱難的過程——一次次製備不同實驗樣品，並嘗試調整組裝條件，經歷了很多次失敗。

而每次實驗的過程都很漫長，每天只能進行幾次有效的嘗試，甚至有時整天都在實驗室中重覆優化步驟。

胡明翰清楚地記得，在第 56 次實驗時，馬中騏終於成功製備出符合要求的樣品。

當時整個團隊都非常激動，那份樣品對他們來說意義非凡，他們甚至特意拍了照片保存下來，以紀念這個來之不易的突破。

馬中騏是共同一作，瑞士蘇黎世聯邦理工學院盧斯奧·艾沙（Lucio Isa）教授與胡明翰擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）

簡而言之，本次開發的可調諧微膠囊陣列在多級應力響應和光學信號輸出方面展現出極大的潛力，就像是在材料里植入一套「微型感應器網絡」，可以隨時提醒人們哪裡出了問題，從而能夠大大提升材料的智能化水平和安全性。

這種材料不僅能幫助人們更好地監測材料的健康狀況，還可能應用在各種領域，比如檢測生物組織的損傷、為機器人製造具有「觸覺」的智能皮膚，甚至開發能夠自我修復的先進材料。

下一步，課題組計劃開發更高解像度的微膠囊陣列，並嘗試結合自修復材料，使其不僅能夠監測應力，還能在受損後釋放修復劑，實現智能材料的多功能化。

另外，據胡明翰介紹，其本科和碩士就讀於北京化工大學，主修材料科學，師從該校的趙素合教授。

本碩階段的學習經歷，讓他深刻認識到高分子材料在結構調控和功能設計方面的巨大潛力，並由此對軟材料產生了濃厚興趣，從而為後來的科研方向奠定了基礎。

博士期間，他在德國馬基斯·普朗克高分子研究所深造，研究方向聚焦在如何賦予高分子材料智能化功能。期間，他還與合作者深入探索了納米顆粒自組裝的機理與新方法。

這段經歷讓他不僅掌握了先進的高分子材料合成與表徵技術，還拓寬了他的學術視野，讓其對於材料微觀結構的調控有了更深刻的理解。

與此同時，胡明翰在卡塔里娜·蘭德費斯特（Katharina Landfester）教授、赫洛伊絲·泰利安-奧賓（Héloïse Thérien-Aubin）博士和馬庫斯·班沃特（Markus Bannwarth）博士的共同指導下完成了博士論文。

隨後，他加入瑞士蘇黎世聯邦理工學院從事博士後研究，師從 Lucio Isa 教授，通過將博士期間積累的納米顆粒合成知識與微流控技術結合，他開發出了一系列具有自主驅動和可控釋放功能的智能微納機器人。

這些成果讓其得到了學術界的認可，並讓他榮獲 2023 年《凝聚態物理雜誌》新興領袖獎。同時，他作為科學委員會成員，參與了 2024 年歐洲膠體與界面年度會議的組織工作。

2024 年，他獲得瑞士國家科學基金會資助，入職蘇黎世聯邦理工學院機器人與智能系統研究所擔任高級研究員，並作為課題組長建立了自己的團隊。

其表示，上述資助專門支持年輕學者成為獨立研究負責人，推動具有開創性和應用價值的科研工作。通過這一資助，他和團隊獲得了充足的資源和學術自由，得以將研究方向進一步拓展到生物醫學與工程領域。

「這不僅是對我的科研成果的高度肯定，也激勵我繼續在智能材料與微型機器人領域深耕，為解決前沿挑戰貢獻力量。」胡明翰表示。

參考資料：

1.Hu, M., Ma, Z., Kim, M., Kim, D., Ye, S., Pané, S., … & Isa, L. (2024). Self‐Reporting Multiple Microscopic Stresses Through Tunable Microcapsule Arrays. Advanced Materials, 2410945.

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