機械回響聚合物是可感知和回應環境的“智慧型”材料。簡單的說，是被施加了機械力後，發生化學反應的聚合材料。其發出的信號可以變色，而這緣於內部一種特殊成分破裂後引起的化學反應，因此可藉以看到材料的損傷情況。當機械回響聚合物這種材料受到力的作用時，它會改變顏色，因而可以看到材料的損傷程度。這個現象的原理可以用於許多場合，除了大方面的基礎設施改造，還可用於各種物體的塗層，從橋樑到機翼，甚至對起重行業的鋼絲繩進行檢測，以維護高危險度作業的安全。
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介紹
美國伊利諾斯大學的研究人員公布了它們對變色聚合材料的研究成果。該項成果可以將載荷應力造成的機械性傷害變害為利，用於其它目的。
簡單地說，當聚合材料受到力的作用時會改變顏色，因而可以看到材料的損傷情況。這個現象的原理可以用於許多場合，其中有起重行業的鋼絲繩，鋼絲繩的檢查和維護事關起重作業的安全。
伊利諾斯大學的研究團隊包括來自3個方面的成員，參與由美國陸軍研究局暨研究實驗室提出多學科研究計畫的大學基金項目。研究團隊稱，之所以研究聚合材料是想找出一種新的能夠產生化學反應的方法。
研究工作是在目前進行的自修復功能材料研究基礎上的擴展，這些材料包括環氧樹脂塗層、纖維複合材料和橡膠等，並開發出利用機械性傷害的有效方法。
“大多數人對熱或光可以誘導化學反應的現象很熟悉，”伊利諾斯大學研究生和研究成果論文作者之一的DougDavis說，“但對直接使用機械力引發化學反應的現象卻鮮有人知。”
“過去在做這些實驗時，要把複合物研磨在一起，使它們相互作用，直至聚合材料對剪下力或音頻處理髮生反應；或用原子力顯微術的方法試驗單鏈鎖，來選擇鏈鎖和拉伸單個的鏈鎖。
“我們沒有把精力放在那些能夠對機械力產生反應的材料或化合物上，而是設計出一種能夠以非常特定和有效的方式做出反應的材料。我們稱之為mechanophores（機械回響聚合物）。”
Davis說，這一過程是通過共價鍵將螺吡喃（前面提到的機械回響聚合物）融合到聚合材料中。螺吡喃不是融進聚合材料鏈中，就是將兩個鏈聯接在一起，但兩者之間並沒有結合在一起，也就是說，它們吸收紫外光譜中的可見光。當中心共價的螺碳氧連結斷裂後，其分子扭曲成平面共軛形式，從吸光形式轉變成可見光譜，使顏色發生變化。
“我們的目標是通過將它們拉開的方式打破這種結合，”Davis說。“這個分子實在是太小了，按常規是無法做到這一點的，因此我們用長聚合材料鏈給它安裝了一個象徵性的手把。
這個手把使分子變大，用肉眼就可以操縱這些分子。聚合材料鏈被安裝在我們想打破結合點的兩端，所以，當聚合材料被拉伸時，力通過結合點來傳遞。”
開發能夠改變顏色的聚合材料還要面對許多問題，Davis說，目前還沒有達到商業套用的水平。這裡有閥值應變問題，其顏色變化的上限取決於聚合材料中螺吡喃的數量；對光和熱的敏感度問題；以及褪色問題，當然褪色與周圍環境的光線有關。
Davis說，解決這些問題的工作正在進行，其中最有可能的方法是用UV濾光鏡減弱光的敏感性和改變螺吡喃或聚合材料的矩陣，以減輕熱的衝擊。解決了這些問題就為將這項技術用到產品上鋪平了道路。這些產品中有符合材料和塗層，包括起重行業使用的某些纜索和鋼絲。
Davis說，最初的套用是損傷的探測，以及貨運包裹中振動和傾斜檢測器產品的誕生，可以探測到某些損傷。其它的套用有分析聚合材料的應力和檢查損傷。
“我並不認為我們專門考慮了起重行業的套用問題，”Davis說。“但起重行業的套用是必然的。雖然不是完全相同，但我知道攀爬用繩的情況，這些繩子要經常檢查，並且也有倍率數的計算問題。
“這樣的技術可以通過防止過早報廢狀態仍舊良好的繩纜而降低成本，還由於可以方便地檢測到繩纜的損傷而提高作業安全性。”
套用
《鋼絲繩技術》主編RolandVerreet說，在美國將這一技術套用到起重行業受到一個主要問題的困擾，即使用中的鋼絲繩無法進行塗層，也就是說，顏色變化的檢查只能在鋼絲繩超載以後才能進行。
他說：“這是一個非常有趣的產品。鋼絲繩的問題是使用時表面不能塗層。所以，要不將有塗層的鋼絲放在鋼絲繩的內部，但看不見結果；要不用一根塑膠繩代替鋼絲繩，但塑膠繩的彈性變形與鋼絲繩不同。這就是這項技術用在鋼絲繩上的困難所在。
“如果把它用在繩芯上，可以知道鋼絲繩是否超載，但不能用它作為檢驗用。我是這樣感覺的，儘管沒人會說不能。”
他說，如果有人能夠解決這個問題，那真是“太棒”了，這將會是一個賣點。“鋼絲繩的失效模式很複雜，要用所有可以用的方法來試一試。”
最後，Verreet說，德國斯圖加特大學物料搬運學院開發出另外一種檢驗檢測系統。這是一種光學檢測系統，是用計算機系統分析拍攝的鋼絲繩圖像，並與處於理想狀態剛出廠的標準鋼絲繩做比較。
Verreet說，鋼絲繩繩捻的長度一般都是相同的，這就是說只要檢查一段繩捻的長度就可以認為其它的繩捻都是一樣的。更進一步說，只要把這段繩捻與標準繩捻做一下比較，就可以知道這根鋼絲繩的變化有多少。
這張圖像被記錄下來，將其用於今後的對比時，可以發現鋼絲繩的變化，如變粗、變細和伸長等。
Verreet說：“雖然圖片只能顯示鋼絲繩表面的情況，但如果內部有變化，也會反映在外部的變化上，這就是圖片的作用。”
通過記錄圖片與標準圖片的比較，軟體就可以檢測出鋼絲繩形狀上的變化和潛在的問題。用戶還可以放大圖像，做更進一步的檢查。
軟體系統還可以將鋼絲繩分解到繩捻的長度，用戶可以根據需要對它進行詳細的檢查，比如在鋼絲繩斷裂或事故後檢查鋼絲繩上特定的區域。
Verreet補充說，這一系統可以用於記錄歷史資料，也就是說，用戶可以每隔一段時間查看一下鋼絲繩的變化，看看發生了什麼情況以及什麼時候發生的。
“我曾經就這項技術做了一個報告，演示了一個小男孩在8年時間中每天早上照的一張照片。通過這些照片可以看出男孩的變化，什麼時候理髮、什麼時候長出鬍鬚、什麼時候交女朋友、什麼時候迷上朋克。
“這與鋼絲繩的圖像是一回事。”
據Verreet介紹，這一系統已經開發出好幾年了，第一批的樣機現在正在纜車索道上進行試驗。Verreet目前正在為這一系統申請專利。
“這是一個非常有意思的發明。
意義
對於工程師們而言，這項技術令他們大鬆一口氣，因為該材料可降低其在關鍵結構中的過失疏忽。而且，當金屬和混凝土材料開始腐朽和無法承重時，眾多小裂縫是典型的提醒信號，但是在一般情況下，塑膠斷裂前幾乎不會有任何徵兆。而現在，機械回響聚合物的變色將在其斷裂前給出預警。
在2010年8月，美國伊利諾斯大學的研究人員公布了對變色聚合材料的研究成果，就為更好地進行鋼絲繩的檢查和探傷鋪平了道路。其在自修復功能材料研究基礎上進行擴展，利用包括環氧樹脂塗層、纖維複合材料和橡膠等，過程則是通過共價鍵將化合物螺吡喃巧妙融合到聚合材料中，當中心某種成分連結斷裂後，其從吸光形式轉變成可見光譜，就使顏色發生變化。儘管該技術還沒有達到商業套用的水平，但卻為開發出損傷探測的有效方法鋪平了道路。
