Damage detection through Förster Resonance Energy Transfer in mechanoresponsive polymer nanocomposites
Damage detection through Förster Resonance Energy Transfer in mechanoresponsive polymer nanocomposites
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通过力响应聚合物纳米复合材料中的福斯特共振能量转移进行损伤检测
DOI：
10.1016/j.polymer.2020.123275
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
4.6
通讯作者：
Green, Matthew D.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wang, Meng;Schwindt, Alexandra;Wu, Kedi;Qin, Ying;Kwan, Allison;Tongay, Sefaattin;Green, Matthew D.
聚合物纳米复合材料提供了控制和调节先进多功能材料的光学、导电、拓扑和热机械性能的设计解决方案。由于纳米复合材料的无处不在的性质，诊断纳米复合材料中的故障或结构变化的方法引起了人们的极大兴趣。在这里，我们报道了一种负载量子点和香豆素修饰的碳纳米管的纳米复合系统，首次在一个应变下将机械力转换为荧光，低至7.5%。我们的全面研究详细描述了这些纳米复合材料的光学、形态和热机械性质，以确定荧光激活的根本原因。我们的结果表明，裸碳纳米管可以不可逆地猝灭量子点的荧光，而香豆素修饰的碳纳米管通过Förster共振能量转移来缓解这种猝灭。接下来，对样品施加作用力，改变量子点-碳纳米管的间距以及碳纳米管的形态，以激活纳米复合材料中的荧光。总体而言，这种荧光的力激活可以作为一种通用的策略，用于开发一种新型的机械响应纳米复合材料，赋予聚合物材料理想的功能，包括损伤传感和机械强度。
Polymer nanocomposites offer design solutions to control and tune optical, conductive, topological, and thermomechanical properties of advanced and multifunctional materials. Because of their ubiquitous nature, methodologies to diagnose failure or structural changes in the nanocomposites are of significant interest. Herein, we report a nanocomposite system loaded with quantum dots and coumarin-modified carbon nanotubes that transduce mechanical force into fluorescence at a strain, for the first time, as low as 7.5%. Our comprehensive studies detail the optical, morphological, and thermomechanical properties of these nanocomposites to establish the fundamental reason behind the activation of fluorescence. Our results indicate that bare carbon nanotubes can irreversibly quench the fluorescence from quantum dots and that the coumarin-modified carbon nanotubes mitigate the quenching through Förster Resonance Energy Transfer. Next, the application of force to the sample changes the quantum dot-carbon nanotube spacing as well as the carbon nanotube morphology to activate fluorescence in the nanocomposite. Overall, this force activation of fluorescence can serve as a general strategy for the development of a new class of mechano-responsive nanocomposites that impart polymeric materials with desirable functionalities including damage sensing and mechanical strength.
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