科学家研发基于微胶囊自报告材料，无需高端设备即可检测材料受损

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院高级研究员胡明翰和所在团队开发出一种基于微胶囊的自报告材料，可以实时检测和记录材料表面的微小损伤和应力分布。

这种材料能够使用荧光信号清晰地显示出受力的具体位置，就像一张“应力热图”，其分辨率可精确到微米尺度。

这种特性使它特别适用于监测微观力学变化，能够帮助人们找到可能导致材料破坏的关键点。

具体来说，该课题组利用微流控技术制造了包含染料的微胶囊，并通过特殊的组装方法将这些微胶囊排列成具有不同破裂强度的阵列。

这些阵列被嵌入到自报告材料中，当材料受到局部应力或损伤时，微胶囊破裂并发出荧光，从而能够提供明确的视觉提示。

同时，这种方法适用于多种不同的材料表面，比如适用于柔性的硅橡胶薄层和硬质的环氧树脂涂层。

通俗地说，他们研发了一种“会发光”的智能材料，当材料受到压力时，嵌入其中的微胶囊会破裂并发出荧光信号。

这些胶囊就像一个个“报警器”，不仅能记录微小的应力，还能让这些变化以颜色的形式“显现出来”。

从而帮助人们更直观地了解材料内部发生的变化，比如什么时候开始受力、哪些地方更容易损坏，进而能让材料力学的研究和检测变得更简单和更精准，并有可能带来许多实际应用。

例如，在生物医学中，它可以帮助检测软组织损伤；在机器人领域，这些材料可以被用作智能“机器人皮肤”，实时地反馈外部环境的压力变化。

此外，通过调整微胶囊的尺寸和排列方式，还可以实现更高的检测分辨率，甚至能够在三维结构中捕捉应力变化。

如果在微胶囊中加入其他功能性成分例如修复剂，这种材料还能实现自我修复功能，为智能材料的应用打开更广阔的可能性。

会“自我报告”的材料

胡明翰表示材料在使用中会出现微小损伤，如果不及时发现，可能会逐渐扩大，最终酿成大问题，就像“千里之堤，溃于蚁穴”一样。

他们注意到，目前检测材料内部受力情况需要用到很复杂的设备，这对很多应用来说并不方便。

比如，如何快速发现桥梁或飞机部件的潜在损伤？而现有技术在效果上，要么太慢要么不够精确。

因此，他们希望研发一种简单直接的方法，让材料自己“报告”哪里受到了压力或即将损坏，以便更高效地保护材料和结构安全。

也就是说，他们希望开发一种能让材料“自己报警”的方法，通过简单的颜色变化，快速发现这些潜在的隐患，从而更好地保护材料和结构的安全。

即本研究旨在开发一种无需高端设备即可快速、精准检测应力分布的工具，为材料科学和结构健康监测提供新手段。

失败 55 次的曙光

如前所述，该团队希望设计这样一种材料：当材料感受到不同程度的压力时，能够“自己开口说话”，通过颜色或光亮变化实时告诉人们哪里出了问题。

而本次研究的过程好比从零开始建造一个“微型传感器系统”，旨在帮助人们更好地观察和记录材料内部微小的压力变化。

为了实现这个目标，他们想到“微胶囊”的概念：把染料包在非常小的胶囊里，这些胶囊在受到压力时会破裂，释放出不同的颜色。

更重要的是，这些胶囊需要有不同的“破裂阈值”，从而可以记录轻微到强烈的各种压力变化。为此，他们设想通过微小的光信号，将复杂的力学信息变得直观、易读。

研究中，他们使用了一种叫“微流控”的技术：这有点像一个微型工厂，可以非常精准地控制胶囊的大小和壳的厚度。

通过调整这些参数，该团队造出了能够承受不同强度压力的微胶囊。这些微胶囊填充了特定颜色的荧光染料，同时也是整个系统的核心部件。

接下来，他们使用一种名为“毛细力辅助”的方法，把这些胶囊按顺序组装成小链条。

每个链条包含三种不同强度的胶囊，当施加压力时，它们会按从弱到强的顺序破裂并释放颜色信号。

这就好比给每个链条赋予了一个“压力感应等级”，不同的胶囊代表着不同的“报警阈值”。

然后，课题组把这些胶囊链嵌入材料中，并进行了一系列实验。实验结果非常理想：材料在受到压力时，会显示出局部的光信号，从而能够帮助他们清晰地看到不同区域的压力变化。

此外，这个系统的分辨率可以达到微米级，几乎能精确到每一小块材料的应力情况。

研究中，该团队的硕士生马中骐面对的是一个全新的实验体系，完全没有实验文献可以参考，也无法借助 AI 或者机器学习来优化参数。

为了实现利用毛细力组装微米胶囊的目标，马中骐需要从零开始摸索。这是一个漫长而艰难的过程——一次次制备不同实验样品，并尝试调整组装条件，经历了很多次失败。

而每次实验的过程都很漫长，每天只能进行几次有效的尝试，甚至有时整天都在实验室中重复优化步骤。

胡明翰清楚地记得，在第 56 次实验时，马中骐终于成功制备出符合要求的样品。

当时整个团队都非常激动，那份样品对他们来说意义非凡，他们甚至特意拍了照片保存下来，以纪念这个来之不易的突破。

日前，相关论文以《通过可调微胶囊阵列自我报告多重微观应力》（Self-Reporting Multiple Microscopic Stresses Through Tunable Microcapsule Arrays）为题发在Advanced Materials[1]。

马中骐是共同一作，瑞士苏黎世联邦理工学院卢西奥·伊萨（Lucio Isa）教授与胡明翰担任共同通讯作者。

简而言之，本次开发的可调谐微胶囊阵列在多级应力响应和光学信号输出方面展现出极大的潜力，就像是在材料里植入一套“微型感应器网络”，可以随时提醒人们哪里出了问题，从而能够大大提升材料的智能化水平和安全性。

这种材料不仅能帮助人们更好地监测材料的健康状况，还可能应用在各种领域，比如检测生物组织的损伤、为机器人制造具有“触觉”的智能皮肤，甚至开发能够自我修复的先进材料。

下一步，课题组计划开发更高分辨率的微胶囊阵列，并尝试结合自修复材料，使其不仅能够监测应力，还能在受损后释放修复剂，实现智能材料的多功能化。

另外，据胡明翰介绍，其本科和硕士就读于北京化工大学，主修材料科学，师从该校的赵素合教授。

本硕阶段的学习经历，让他深刻认识到高分子材料在结构调控和功能设计方面的巨大潜力，并由此对软材料产生了浓厚兴趣，从而为后来的科研方向奠定了基础。

博士期间，他在德国马克斯·普朗克高分子研究所深造，研究方向聚焦在如何赋予高分子材料智能化功能。期间，他还与合作者深入探索了纳米颗粒自组装的机理与新方法。

这段经历让他不仅掌握了先进的高分子材料合成与表征技术，还拓宽了他的学术视野，让其对于材料微观结构的调控有了更深刻的理解。

与此同时，胡明翰在卡塔里娜·兰德费斯特（Katharina Landfester）教授、赫洛伊丝·特里安-奥宾（Héloïse Thérien-Aubin）博士和马库斯·班沃特（Markus Bannwarth）博士的共同指导下完成了博士论文。

随后，他加入瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究，师从 Lucio Isa 教授，通过将博士期间积累的纳米颗粒合成知识与微流控技术结合，他开发出了一系列具有自主驱动和可控释放功能的智能微纳机器人。

这些成果让其得到了学术界的认可，并让他荣获 2023 年《凝聚态物理杂志》新兴领袖奖。同时，他作为科学委员会成员，参与了 2024 年欧洲胶体与界面年度会议的组织工作。

2024 年，他获得瑞士国家科学基金会资助，入职苏黎世联邦理工学院机器人与智能系统研究所担任高级研究员，并作为课题组长建立了自己的团队。

其表示，上述资助专门支持年轻学者成为独立研究负责人，推动具有开创性和应用价值的科研工作。通过这一资助，他和团队获得了充足的资源和学术自由，得以将研究方向进一步拓展到生物医学与工程领域。

“这不仅是对我的科研成果的高度肯定，也激励我继续在智能材料与微型机器人领域深耕，为解决前沿挑战贡献力量。”胡明翰表示。

参考资料：

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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