Smart hud forenkler pletdannelse i strukturer

Takket være en ejendommelig egenskab ved kulstofnanorør, ingeniører vil snart være i stand til at måle den akkumulerede belastning i et fly, en bro eller en rørledning – eller næsten hvad som helst – over hele overfladen eller ned til mikroskopiske niveauer.

Det vil de gøre ved at skinne lys på strukturer belagt med en to-lags nanorørfilm og beskyttende polymer. Belastning i overfladen vil vise sig som ændringer i bølgelængderne af nær-infrarødt lys, der udsendes fra filmen og opfanges af en miniaturiseret håndholdt læser. Resultaterne vil vise ingeniører og vedligeholdelsespersonale, om strukturer som broer eller fly er blevet deformeret af stressfremkaldende begivenheder eller regelmæssigt slid.

Som en hvid skjorte under et ultraviolet lys, enkeltvæggede kulstof nanorør fluorescerer, en ejendom opdaget i 2002 i Rice-kemikeren Bruce Weismans laboratorium. I et grundforskningsprojekt nogle år senere, gruppen viste, at strækning af et nanorør ændrer farven på dets fluorescens.

Da Weismans resultater blev opmærksom på Rice civil- og miljøingeniør Satish Nagarajaiah - som havde arbejdet uafhængigt på lignende ideer ved hjælp af Raman-spektroskopi, men på makroskalaen, siden 2003 - han foreslog at samarbejde om at gøre det videnskabelige fænomen til en nyttig teknologi til belastningsføling.

Nu, Nagarajaiah og Weisman og har udgivet et par vigtige artikler om deres "smart skin"-projekt. Den første vises i Structural Control &Health Monitoring, og introducerer den seneste iteration af den teknologi, de først afslørede i 2012.

Den beskriver en metode til at afsætte den mikroskopiske nanorør-følende film adskilt fra et beskyttende toplag. Farveændringer i nanorør-emissionen indikerer mængden af ​​belastning i den underliggende struktur. Forskerne siger, at det muliggør todimensionel kortlægning af akkumuleret belastning, der ikke kan opnås ved nogen anden ikke-kontaktmetode.

Det andet papir, i Journal of Structural Engineering, beskriver resultaterne af testning af smart hud på metalprøver med uregelmæssigheder, hvor stress og belastning ofte er koncentreret.

"Projektet startede som ren videnskab om nanorørspektroskopi, og førte til det proof-of-principle-samarbejde, der viste, at vi kunne måle belastningen af ​​det underliggende substrat ved at kontrollere filmens spektrum ét sted, " sagde Weisman. "Det tydede på, at metoden kunne udvides til at måle hele overflader. Det, vi har vist nu, er meget tættere på den praktiske anvendelse."

Siden den første rapport, forskerne har forfinet sammensætningen og forberedelsen af ​​filmen og dens airbrush-lignende påføring, og udviklede også scannerenheder, der automatisk fanger data fra flere programmerede punkter. I modsætning til konventionelle sensorer, der kun måler belastning på ét punkt langs én akse, den smarte film kan selektivt sonderes for at afsløre belastning i enhver retning og placering.

Den to-lags film er kun et par mikrometer tyk, en brøkdel af bredden af ​​et menneskehår, og knapt synligt på en gennemsigtig overflade. "I vores første film, nanorørsensorerne blev blandet ind i polymeren, " sagde Nagarajaiah. "Nu hvor vi har adskilt sansning og beskyttende lag, nanorør-emissionen er klarere, og vi kan scanne med en meget højere opløsning. Det lader os fange betydelige mængder data ret hurtigt."

Forskerne testede smart hud på aluminiumstænger under spænding med enten et hul eller et hak for at repræsentere de steder, hvor belastningen har tendens til at opbygge. Måling af disse potentielle svage punkter i deres ubestressede tilstand og derefter igen efter påføring af stress viste dramatiske ændringer i belastningsmønstre stykket sammen fra punkt-for-punkt overfladekortlægning.

"Vi ved, hvor højstressområderne i strukturen er, de potentielle fejlpunkter, " sagde Nagarajaiah. "Vi kan belægge disse områder med filmen og scanne dem i sund tilstand, og så efter en begivenhed som et jordskælv, gå tilbage og genscan for at se, om belastningsfordelingen har ændret sig, og strukturen er i fare."

I deres tests, forskerne sagde, at de målte resultater var et tæt match til belastningsmønstre opnået gennem avancerede beregningssimuleringer. Aflæsninger fra den smarte hud gjorde det muligt for dem hurtigt at få øje på karakteristiske mønstre nær områder med høj stress, sagde Nagarajaiah. De var også i stand til at se klare grænser mellem områder med træk- og trykbelastning.

"Vi målte punkter 1 millimeter fra hinanden, men vi kan gå 20 gange mindre, når det er nødvendigt uden at ofre belastningsfølsomhed, " sagde Weisman. Det er et spring over standard belastningssensorer, som kun giver aflæsninger i gennemsnit over flere millimeter, han sagde.

Forskerne ser deres teknologi gøre første indtog i nicheapplikationer, som at teste turbiner i jetmotorer eller strukturelle elementer i deres udviklingsstadier. "Det kommer ikke til at erstatte alle eksisterende teknologier til belastningsmåling med det samme, " sagde Weisman. "Teknologier har en tendens til at være meget forankret og have en masse inerti.

"Men det har fordele, der vil vise sig at være nyttige, når andre metoder ikke kan gøre jobbet, " sagde han. "Jeg forventer, at det vil finde anvendelse i ingeniørforskningsapplikationer, og i design og afprøvning af strukturer, før de sættes ind i marken."

Med deres smarte hud raffineret, forskerne arbejder på at udvikle den næste generation af strain reader, en kameralignende enhed, der kan fange belastningsmønstre over en stor overflade på én gang.

Medforfattere til begge artikler er Rice prædoktorale forskere Peng Sun og Ching-Wei Lin og forsker Sergei Bachilo. Weisman er professor i kemi og i materialevidenskab og nanoteknik. Nagarajaiah er professor i civil- og miljøteknik, af maskinteknik, og materialevidenskab og nanoteknik.