Inteligentna skóra reagująca na odkształcenia, opracowana na Uniwersytecie Rice, która wykorzystuje bardzo małe struktury, nanorurki węglowe, do monitorowania i wykrywania uszkodzeń w dużych strukturach, jest gotowa na premierę.
„Farba naprężeniowa” po raz pierwszy ujawniona przez Rice w 2012 roku wykorzystuje właściwości fluorescencyjne nanorurek, aby pokazać, kiedy powierzchnia została zdeformowana przez naprężenie.
Obecnie opracowana jako część bezkontaktowego systemu monitoringu optycznego znanego jako S4, wielowarstwowa powłoka może być stosowana na dużych powierzchniach – mostach, budynkach, statkach i samolotach, na początek – gdzie duże naprężenia stanowią niewidzialne zagrożenie.
Projekt prowadzony przez chemika z Rice Bruce’a Weismana, inżyniera budowlanego Satisha Nagarajaiaha oraz głównego autora i studenta Wei Menga powstał w wyniku odkrycia przez Weismana w 2002 roku, że półprzewodzące nanorurki węglowe fluoryzują w bliskiej podczerwieni. Następnie opracował on instrumenty optyczne do badania fizycznych i chemicznych właściwości nanorurek, w tym spektroskopowe efekty odkształcenia w 2008 roku.
Niezależnie od tego w 2004 r. Nagarajaiah zaproponował i opracował bezkontaktowy optyczny czujnik odkształcenia wykorzystujący folie z nanorurek węglowych przyklejone do elementów konstrukcyjnych za pomocą żywicy epoksydowej i badane za pomocą spektroskopii Ramana.
Ich niezależne ścieżki badawcze połączyły się we wspólnym projekcie w 2008 roku, kiedy Weisman i Nagarajaiah odkryli, że jednościenne nanorurki węglowe osadzone w polimerze i przyklejone do elementu konstrukcyjnego doświadczają tego samego odkształcenia i mogą o tym informować optycznie poprzez zmiany widmowe w ich fluorescencji w bliskiej podczerwieni. Odkrycie to opisali w pracy z 2012 roku.
„Pomiary odkształceń są często wykonywane w ramach kontroli związanych z bezpieczeństwem” – powiedział Weisman. „Ta społeczność techniczna jest słusznie konserwatywna, ponieważ ich pomiary muszą być wiarygodne. Musimy więc przezwyciężyć sceptycyzm wobec nowych metod, udowadniając, że nasza jest równie ważna jak te uznane.
„Ta praca przedstawia referencje naszej metody jako poważnej technologii pomiaru odkształcenia”, powiedział.
Szczegóły dotyczące bezkontaktowego systemu nowej generacji zostały opublikowane w Nature’s Scientific Reports.
Mapowanie odkształceń opiera się na dwóch technologiach: fizycznych miernikach przymocowanych do struktur i cyfrowej korelacji obrazu (DIC), używanej do porównywania obrazów wykonanych w czasie powierzchni z osadzonymi „plamkami”.
Weisman powiedział, że S4 z łatwością wytrzymuje DIC. Co więcej, te dwie techniki mogą ze sobą współpracować. „Chcieliśmy dokonać bezpośredniego porównania z DIC, który jest jedyną skomercjalizowaną metodą mapowania szczepów tam,” powiedział. „Jest ona stosowana w wielu branżach, a ludzie mają do niej dość wysoki poziom zaufania.
„Aby zademonstrować, że nasza metoda może stać obok niej i uzyskiwać podobne lub lepsze wyniki, Wei opracował metodę włączenia S4 i DIC, dzięki czemu obie techniki mogą być stosowane jednocześnie, a nawet się uzupełniać” – powiedział Weisman.
Sama skóra składa się z trzech warstw, których konfiguracja jest dostosowana do powierzchni, którą pokrywają. Zazwyczaj najpierw malowany jest nieprzezroczysty podkład zawierający plamki DIC. Druga warstwa to przezroczysty poliuretan, który izoluje podłoże od nanorurek. Na koniec natryskiwana jest warstwa detekcyjna z indywidualnie powleczonych nanorurek, zawieszonych w toluenie. Toluen odparowuje, pozostawiając submikronową warstwę nanorurek połączonych z elementem konstrukcyjnym. Na wierzch można nałożyć dodatkową warstwę ochronną, aby zachować aktywność przez lata.
System wymaga również czytnika, w tym przypadku małego lasera widzialnego do wzbudzania nanorurek oraz przenośnego spektrometru do sprawdzania ich naprężenia.
Meng dokładnie porównał S4 zarówno z DIC jak i symulacjami komputerowymi w testach na akrylowych prętach w kształcie litery I z otworem lub wycięciem, a także na blokach betonowych i płytach aluminiowych z wywierconymi w nich otworami w celu skupienia wzorców odkształcenia. W każdym przypadku, S4 dawał wysokiej rozdzielczości, dokładny obraz naprężonych próbek, który był porównywalny lub lepszy niż jednoczesne wyniki DIC.
Pomiar betonu stanowił optyczne wyzwanie. „Odkryliśmy, że cement w betonie posiada wewnętrzną emisję w bliskiej podczerwieni, która zakłócała nasze pomiary odkształcenia” – powiedział Nagarajaiah. „Wei spędził ogromną ilość czasu, szczególnie podczas pandemii, starannie pracując nad nową architekturą, aby zablokować te sygnały”.
Zamiast zwykłej białej warstwy bazowej, czarna baza, która również utrzymuje plamki, służyła temu celowi, powiedział.
