过去10年时间里，数千名美国士兵带着临时爆炸装置造成的创伤性脑损伤从伊拉克和阿富汗战场返回家园。越来越多的证据显示，临时爆炸装置产生的冲击波造成的损伤不同于汽车事故和足球比赛造成的脑震荡，即使看似威力很小的冲击波——士兵可能看似毫发无损地走开——也会损伤大脑，尤其是在一次又一次身陷爆炸现场的情况下。

　　美国宾夕法尼亚大学医学院的研究人员研制出一种新装置，能够提供一种简单的方式，用于测量士兵服役期间所经历爆炸的量值。此外，这款新装置同样可以帮助科学家进一步了解脑损伤阀值。

　　此项研究领导人、宾夕法尼亚大学神经外科学助理教授凯西·库伦（Kacy Cullen）表示：“通常情况下，遭受轻微创伤性脑损伤的士兵看似也很正常，因此，找到一种测量方式确定哪些士兵经历了威力足以导致他们出现脑损伤的爆炸冲击波便显得至关重要。这些装置虽不能诊断脑损伤，但能够确定哪些士兵需要进行更彻底的检查，进而影响有关士兵何时重返战场的决定。”

　　临时爆炸装置爆炸首先产生超音波，而后是被称之为“超压波”（overpressure wave）的冲击波。冲击波通常威力巨大，足以将士兵抛到半空，导致他们遭受钝性撞击，就如同经历了一场汽车事故。很多科学家认为，除了导致士兵遭受撞击外，冲击波本身也会损伤他们的大脑。

　　借助于安装在头盔上的加速计和压力传感器，美国军方正加大努力，测量爆炸的特定属性，但这些装置本身存在缺陷。库伦说：“它们价格昂贵、笨重同时需要用电。我们研制的装置是一个基于材料的指示器，无需内部供电，爆炸产生的冲击波的能量能够导致其改变颜色。”

　　这款探测器的制造材料颜色由自身结构决定，而不是化学成分或者色素，就像蝴蝶的翅膀一样。它含有成层微孔构成的光子晶体，层与层之间由宽度只有几百纳米的柱形结构隔开。孔柱的尺寸以及在整个结构内的排列方式决定了这种传感器的颜色。遭受冲击波时，柱形结构崩溃，改变材料颜色或者彻底失色。

　　这种三维光子晶体借助多束激光打造。利用宾夕法尼亚大学材料学与工程学教授杨澍研发的全息光刻技术，激光能够在光敏塑料片材上刻出精确的形状。其结果是，这种材料不但拥有极强的承受力并且重量轻。通过改变这种材料的化学性质和成分，三维光子晶体能够经受住可怕高温或者低温以及极度潮湿或者干燥环境考验。宾夕法尼亚大学医学院的道格拉斯·史密斯（Douglas H. Smith）表示：“即使用锤子锤，它也不会改变颜色。只有在遭受爆炸产生的极高频率冲击波时，它才会破裂。”

　　这种变色测量方式的一个优势在于，如果士兵遭受足以导致其出现大脑损伤的爆炸冲击波，可立即让士兵和军医知晓。

　　研究人员可以改变这种纳米结构或者这种材料的构成，用以改变计量器变色所需的超音冲击波特定频率和量级，进而允许研究人员调整计量器以响应不同的冲击波。史密斯说：“我们可以让材料在多次遭受爆炸时失效。我们可以制造出一种由多个组件构成的装置，用于计量单次暴露和累积暴露，这一点与辐射计量器类似。”

　　下一步工作是确定阀值。研究人员正在研究暴露在爆炸现场的动物，以确定能够导致大脑损伤的最低爆炸威力。史密斯希望能够在两年内开始实地测试。研究人员表示，由于制造过程与制造电子设备类似，因此很容易扩大规模。

　　史密斯指出，大脑对冲击波的响应方式可能与这种纳米晶体类似。“细胞内的结构，尤其是轴突（连接神经细胞的细纤维）可能非常易受高频率冲击波影响。”如果缓慢拉伸，橡皮泥可以拉很长，但如果迅速拉伸，则会突然裂成两半。轴突也是如此，在快速变形时柔韧性更低。他说：“遭受冲击波时，快速振动可能撕裂构成细胞的结构，它们的行为从类似果冻变得几乎与玻璃一模一样。即使强度很低的拉伸也会导致它们破裂。”