Stemningsringmaterialer - en ny måde at opdage skader i svigtende infrastruktur

"Mood ring materialer" kunne spille en vigtig rolle i at minimere og afbøde skader på nationens svigtende infrastruktur.

American Society of Civil Engineers har anslået, at der er behov for mere end 3,6 billioner dollars i investeringer i 2020 for at rehabilitere og modernisere nationens svigtende infrastruktur. Den nyvalgte præsident Donald Trump har lovet at etablere et infrastrukturforbedringsprogram på 1 billion dollar, når han tiltræder.

Et vigtigt element i enhver moderniseringsindsats vil være udviklingen af ​​nye og forbedrede metoder til at opdage skader i disse konstruktioner, før de bliver kritiske. Det er her "humørringmaterialer" kommer ind.

Drys et nissestøv af nanopartikler i en batch af klar polymerharpiks, og du får "et smart materiale, der skifter farve, når det er beskadiget eller ved at svigte, hvad jeg kalder et 'stemningsringmateriale', '" forklarede Cole Brubaker, en ph.d.-studerende i civilingeniør, som er en del af et tværfagligt forskerhold ved Vanderbilt University's Laboratory for Systems Integrity and Reliability (LASIR), der udvikler det nye sensingsystem.

Smart sensing-teknologier er et af de hotte nye områder inden for civil, maskin- og rumfartsteknik. Disse bestræbelser har generelt fokuseret på at udvikle netværk af fysiske sensorer, der er knyttet til strukturer af interesse. Imidlertid, denne tilgang er blevet hindret af høje omkostninger samt krav til strøm og databehandling.

LASIR-forskerne tager et andet skridt ved at inkorporere fluorescerende nanopartikler i selve materialet, der reagerer på stress ved at ændre deres optiske egenskaber for at skabe en ny slags detektionssystem, der kan overvåge disse strukturer på en effektiv og omkostningseffektiv måde.

"I øjeblikket, der er to måder at holde alt fra broer til fly sikkert på, " sagde LASIR direktør, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Professor i civil- og miljøteknik. "Det ene er at sende folk ud for at se på dem med en lommelygte. Problemet med dette er, at det er arbejdskrævende, og folk kan ikke se meget små revner, når de dannes. Den anden er at installere omfattende sensornetværk, der konstant kig efter små revner og opdag dem, før de bliver for store. Problemet er, at disse netværk er meget dyre og, i tilfælde af fly, tilføje en masse vægt. "Så vi skal på en eller anden måde ændre de materialer, vi bruger, så de oplyser disse små revner."

Holdets indledende undersøgelser, offentliggjort i april sidste år i Proceedings of the SPIE Conference on Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mekaniske og rumfartssystemer, har fastslået, at tilsætning af en lille koncentration af specielle nanopartikler (1 til 5 vægtprocent) til en optisk klar polymermatrix producerer en karakteristisk lyssignatur, der ændrer sig, efterhånden som materialet udsættes for en bred vifte af tryk- og trækbelastninger.

Vanderbilt-gruppen er ikke det eneste forskerhold, der bruger nanopartikler til at skabe smarte materialer, men de har en særlig fordel. De bruger en bestemt type nanopartikel kaldet en kvanteprik med hvidt lys. Disse kvanteprikker er unikke, fordi de udsender hvidt lys, hvor andre kvanteprikker kun udsender lys ved bestemte bølgelængder.

Disse specielle kvanteprikker blev ved et uheld opdaget i 2005 i Sandra Rosenthals laboratorium, Jack og Pamela Egan professor i kemi ved Vanderbilt. "Vi forsøgte at lave de mindste mulige cadmiumselenid-kvanteprikker og, da vi gjorde det, vi var forbavsede over at opdage, at de udsender i et bredt spektrum, " huskede hun.

"Hvide lys kvanteprikker har meget unikke optiske egenskaber sammenlignet med andre nanopartikler, " sagde Talitha Frecker, en kemi kandidatstuderende, der deltager i undersøgelsen. "Den hvide lysfluorescens er et overfladefænomen."

Spol frem til 2013, hvor Adams flyttede til Vanderbilt. Da han hørte om Rosenthals opdagelse, han indså, at hendes kvanteprikker var skræddersyet til at skabe smarte materialer:"Når vi putter disse nanopartikler i et materiale, de observerer og reagerer på, hvad der foregår omkring dem."

Nu er Adams forventning blevet bekræftet af rækken af ​​foreløbige test, som Brubaker og hans kolleger har gennemført. De har belagt glasfiber- og aluminiumslister med en polymerbelægning indeholdende hvide lyse kvanteprikker og udsat dem for varierende grad af ekstern belastning. De har fastslået, at intensiteten af ​​emissionsspektret produceret af kvanteprikkerne falder, når belastningen stiger. Frafaldet er størst med den indledende belastning og aftager gradvist ved højere belastningsniveauer.

"Mekanismen er stadig lidt uklar, men vi har vist, at indfangning af disse kvanteprikker i ultratynde polymerfilm på metaloverflader kan give forhåndsadvarsel, når det underliggende metal er ved at lide fysisk eller kemisk skade, " sagde professor i kemisk og biomolekylær teknik Kane Jennings, som deltager i projektet sammen med ph.d.-studerende Ian Njoroge.

Forskerne teoretiserer, at kvanteprikkerne udsender lys i et bredt spektrum, fordi mere end 80 procent af atomerne ligger på overfladen. De ved også, at bindingerne mellem overfladeatomerne og molekylerne omkring dem spiller en afgørende rolle.

"Slutresultatet er, at styrken af ​​quantum dot emissionerne giver os en permanent registrering af niveauet af stress, som et materiale har oplevet, " sagde Brubaker.

På denne måde, forskerne har verificeret, at materialet kan fungere som en ny slags strain gauge, der permanent registrerer den kumulative mængde stress, som materialet, som det påføres på, oplever.

I deres indledende eksperimenter, ingeniørerne har holdt belastningerne relativt beskedne, under 1, 250 pund, godt inden for de elastiske grænser, som materialerne kan modstå uden varig skade. Dette har givet dem en baseline, som de kan bruge til at sammenligne med de resultater, de får, når de flytter til højere belastninger, der får materialerne til at begynde at svigte.

Forskerne ved, at tingene bliver mere komplicerede, efterhånden som de øger de belastninger, de påfører.

For eksempel, i et sæt test kørte de med epoxycylindre, som blev deformeret til en tøndeform under kompression, de fandt ud af, at emissionsspektret faktisk steg, i stedet for at falde. De antager, at denne stigning i emissionen skete, fordi deformationen faktisk pressede nanopartiklerne tættere sammen, så der var flere af dem inden for det lille område, hvor de målte emissionen.

Forskerne er allerede stødt på en af ​​disse komplikationer, da de testede overfladebelagte glasfiberprøver. Når disse prøver blev belastet under trækspænding, emissionsspektret faldt meget, som det gjorde med aluminiumsprøverne, indtil belastningen nåede omkring 350 pund. Men så begyndte den at stige.

Ved at springe og revne fra prøverne, de indså, at dette var tidspunktet, hvor individuelle fibre i prøven begyndte at knække. De antager, at emissionen steg, fordi kvanteprikker, der tidligere var skjult i glasfibermatrixen, blev blotlagt, da fibrene begyndte at svigte. Dette øgede igen antallet af kvanteprikker inden for et givet område, får det samlede emissionsniveau til at stige.

LASIR-teamet indser også, at der er et andet problem, som de bliver nødt til at løse for at lave et praktisk skadesdetektionssystem. Kvanteprikkerne lider af fotoblegning. Det er, når de udsættes for lys mister de gradvist deres fluorescens over tid. Som resultat, materialet skal være afskærmet mod eksternt lys.

"Der er meget, vi skal lære, før vi kan skabe et smart materiale, der er klar til anvendelse i den virkelige verden, men alle tegnene er positive, " sagde Adams. "Nogle af vores kommercielle partnere er meget interesserede, så der er en god chance for, at det bliver vedtaget, hvis det præsterer så godt, som vi tror, ​​det vil."