新型聚合物技术针对工程失败以提高可持续性

可持续性是一个复杂的问题，涉及许多不同的参与者，并受到政策、社会和技术观点的影响。亚利桑那州立大学分子科学学院 (SMS) 和生物设计研究所可持续大分子材料和制造中心 (SM3) 的科学家正在采取多管齐下的办法实现更循环的经济，其中的项目侧重于生物资源、回收、水净化或碳捕获等。

限制大量材料浪费的一个明显策略是减少全球塑料的生产需求。亚利桑那州立大学 SMS 和 SM3 副教授 Yoan Simon 表示：“说起来容易做起来难。不过，解决办法可能就是延长零件的使用寿命。”

从背包的系带到容器盖，我们身边的零部件必须经受数千次的开合循环。同样，自行车和橄榄球头盔必须经受反复撞击，并保持一定的防护水平而不发生故障。

俗话说，“没坏就别修!但它到底是怎么坏的?”西蒙问道。“当你反复向一种应该吸收冲击的材料投掷弹丸时，会发生什么?”

由亚利桑那州立大学西蒙研究小组共同领导的合作团队与美国国家标准与技术研究所 (NIST)、南密西西比大学、伦斯勒理工学院和美国陆军工程兵团合作开发了一种新材料，为材料如何响应高速撞击提供了新信息。

这项研究发表在《自然通讯》杂志上，展示了一种含有机械响应分子(在巨大机械力下发光的分子)的聚合物如何直观地记录材料对高速抛射物撞击的反应。值得注意的是，机械响应分子捕捉到了材料表面下的扭曲，这是以前无法获取的信息。

通过将分子水平的相互作用与先进的成像技术相结合，科学家现在可以直观地看到马赫锥体(在材料中传播速度比声速还快的声波)的形成。

简单来说，他们引入了分子报告器，当射弹的速度超过材料中的音速时，分子报告器就会像圣诞树(或在这种情况下是马赫锥)一样亮起来，类似于喷气式战斗机超音速时发出的轰隆声。

西蒙的团队几十年来一直致力于在材料中引入发光或变色探针，以了解材料如何响应机械事件，他对这项合作工作充满信心。

西蒙解释说：“多年来，许多研究小组已经证明了材料中的活性物质的变形是肉眼可见的，这限制了这些分子探针的适用性。”

“这项研究的真正新颖之处在于它为我们提供了一个独特的工具来观察材料内部深处发生的事情。我们可以看到波在撞击时如何在材料中传播。”

这项工作结合了大量的计算工作和 NIST 开发的先进分析方法，以评估撞击的后果。

“简单来说，我们使用微型枪向材料发射微型弹丸，并使用超高速相机和先进的显微镜来获取有关吸收能量及其如何通过材料传输的一些关键信息，”西蒙说。

除此之外，这些探测器还可以提供对各种冲动事件的更深入了解，包括轻度创伤性脑损伤、冷喷涂增材制造或太空超高速撞击。

Simon 解释道：“Edwin Chan 和他的团队 (NIST) 在这个项目上发挥了重要作用。很久以前，我和他是马萨诸塞大学阿默斯特分校研究生院的同学，正是这份友谊让这个项目得以实现。”