Fluorescerende nanorørbelægning kan detektere belastning

En ny type maling lavet med kulstof nanorør på Rice University kan hjælpe med at opdage belastning i bygninger, broer og flyvemaskiner.

Rice-forskerne kalder deres blanding for "strain paint" og håber, at den kan hjælpe med at opdage deformationer i strukturer som flyvinger. Deres studie, offentliggjort online i denne måned af tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver beskriver en kompositbelægning, de opfandt, som kunne aflæses af et håndholdt infrarødt spektrometer.

Denne metode kunne fortælle, hvor et materiale viser tegn på deformation, længe før virkningerne bliver synlige for det blotte øje, og uden at røre strukturen. Forskerne sagde, at dette giver en stor fordel i forhold til konventionelle strain gauges, som skal være fysisk forbundet med deres udlæsningsenheder. Ud over, det nanorør-baserede system kunne måle belastning på et hvilket som helst sted og langs enhver retning.

Riskemiprofessor Bruce Weisman ledede opdagelsen og fortolkningen af ​​nær-infrarød fluorescens fra halvledende kulstofnanorør i 2002, og han har siden udviklet og brugt ny optisk instrumentering til at udforske nanorørs fysiske og kemiske egenskaber.

Satish Nagarajaiah, en risprofessor i civil- og miljøteknik og i maskinteknik og materialevidenskab, og hans samarbejdspartnere ledede i 2004 udviklingen af ​​strain sensing til overvågning af strukturel integritet på makroniveau ved hjælp af de elektriske egenskaber af kulstof nanofilm – tætte netværk/ensembler af nanorør. Siden da har han fortsat med at undersøge nye strain sensing-metoder ved hjælp af forskellige nanomaterialer.

Men det var et lykketræf, at Weisman og Nagarajaiah deltog i den samme NASA-workshop i 2010. Der, Weisman holdt et foredrag om nanorørsfluorescens. Som en fantasiflugt, han sagde, han inkluderede en illustration af et hypotetisk system, der ville bruge lasere til at afsløre stammer i den nano-coatede vinge på en rumfærge.

"Jeg gik op til ham bagefter og sagde:'Bruce, ved du, at vi rent faktisk kan prøve at se, om det her virker?'" huskede Nagarajaiah.

Nanorørs fluorescens viser store, forudsigelige bølgelængder skifter, når rørene deformeres af spænding eller kompression. Malingen - og derfor hvert nanorør, omkring 50, 000 gange tyndere end et menneskehår -- ville lide samme belastning som overfladen, det er malet på og give et klart billede af, hvad der sker nedenunder.

"For et fly, teknikere anvender typisk konventionelle strain gauges på bestemte steder på vingen og udsætter den for tvungen vibrationstest for at se, hvordan den opfører sig, " sagde Nagarajaiah. "De kan kun gøre dette på jorden og kan kun måle en del af en vinge i bestemte retninger og steder, hvor strain gauges er forbundet. Men med vores berøringsfri teknik, de kunne rette laseren på et hvilket som helst punkt på vingen og få et strain map langs enhver retning."

Han sagde, at stammemaling kunne designes med multifunktionelle egenskaber til specifikke applikationer. "Det kan også have andre fordele, " sagde Nagarajaiah. "Det kan være en beskyttende film, der forhindrer korrosion eller kan forbedre styrken af ​​det underliggende materiale."

Weisman sagde, at projektet vil kræve yderligere udvikling af belægningen, før et sådant produkt kan komme på markedet. "Vi bliver nødt til at optimere detaljerne i dets sammensætning og forberedelse, og finde den bedste måde at påføre det på de overflader, der vil blive overvåget, " sagde han. "Disse fabrikations-/tekniske problemer bør løses for at sikre korrekt ydeevne, selv før vi begynder at arbejde på bærbare udlæsningsinstrumenter."

"Der er også finesser om, hvordan interaktioner mellem nanorørene, den polymere vært og substratet påvirker reproducerbarheden og langtidsstabiliteten af ​​de spektrale skift. For målinger i den virkelige verden, det er vigtige overvejelser, " sagde Weisman.

Men ingen af ​​disse problemer virker uoverstigelige, han sagde, og konstruktionen af ​​en håndholdt optisk belastningslæser bør være relativt ligetil. "Der er allerede ganske kompakte infrarøde spektrometre, der kunne være batteridrevne, " sagde Weisman. "Miniaturlasere og optik er også let tilgængelige. Så det ville ikke kræve opfindelsen af ​​nye teknologier, blot ved at kombinere komponenter, der allerede eksisterer.

"Jeg er overbevist om, at hvis der var et marked, udlæsningsudstyret kunne miniaturiseres og pakkes. Det er ikke science fiction."