Gracias a una característica peculiar de los nanotubos de carbono, los ingenieros pronto podrán medir la tensión acumulada en un avión, un puente o una tubería, o casi cualquier cosa, sobre toda la superficie o hasta niveles microscópicos.
Lo harán iluminando las estructuras recubiertas con una película de nanotubos de dos capas y un polímero protector. La deformación en la superficie aparecerá como cambios en las longitudes de onda de la luz infrarroja cercana emitida por la película y capturada por unlector de mano miniaturizado. Los resultados mostrarán a los ingenieros y equipos de mantenimiento si estructuras como puentes o aviones se han deformado por eventos que inducen estrés o por el uso y desgaste normal.
Como una camisa blanca bajo una luz ultravioleta, fluorescentes de nanotubos de carbono de pared simple, una propiedad descubierta en 2002 en el laboratorio del químico de arroz Bruce Weisman. En un proyecto de investigación básica unos años más tarde, el grupo demostró que el estiramiento de un nanotubo cambiaEl color de su fluorescencia.
Cuando los resultados de Weisman llamaron la atención del ingeniero civil y ambiental de Rice, Satish Nagarajaiah, que había estado trabajando de forma independiente en ideas similares utilizando la espectroscopía Raman, pero a escala macro, desde 2003 sugirió colaborar para convertir ese fenómeno científico enUna tecnología útil para la detección de tensión.
Ahora, Nagarajaiah y Weisman y han publicado un par de documentos importantes sobre su proyecto de "piel inteligente". El primero aparece en Control estructural y monitoreo de salud , y presenta la última iteración de la tecnología que revelaron por primera vez en 2012.
Describe un método para depositar la película microscópica con detección de nanotubos por separado de una capa superior protectora. Los cambios de color en la emisión de nanotubos indican la cantidad de tensión en la estructura subyacente. Los investigadores dicen que permite el mapeo bidimensional de la tensión acumulada queno se puede lograr con ningún otro método sin contacto.
El segundo papel, en el Revista de Ingeniería Estructural , detalla los resultados de las pruebas de piel inteligente en muestras de metal con irregularidades donde el estrés y la tensión a menudo se concentran.
"El proyecto comenzó como ciencia pura sobre la espectroscopía de nanotubos y condujo al trabajo colaborativo de prueba de principio que demostró que podíamos medir la tensión del sustrato subyacente al verificar el espectro de la película en un solo lugar", dijo Weisman"Eso sugirió que el método podría expandirse para medir superficies enteras. Lo que hemos mostrado ahora está mucho más cerca de esa aplicación práctica".
Desde el informe inicial, los investigadores han refinado la composición y preparación de la película y su aplicación de estilo aerógrafo, y también han desarrollado dispositivos de escáner que capturan automáticamente datos de múltiples puntos programados. A diferencia de los sensores convencionales que solo miden la tensión en un punto a lo largoen un eje, la película inteligente se puede sondear selectivamente para revelar tensión en cualquier dirección y ubicación.
La película de dos capas tiene solo unas pocas micras de grosor, una fracción del ancho de un cabello humano y apenas es visible en una superficie transparente. "En nuestras películas iniciales, los sensores de nanotubos se mezclaron con el polímero", dijo Nagarajaiah"Ahora que hemos separado las capas de detección y protección, la emisión de nanotubos es más clara y podemos escanear a una resolución mucho más alta. Eso nos permite capturar cantidades significativas de datos con bastante rapidez".
Los investigadores probaron la piel inteligente en barras de aluminio bajo tensión con un agujero o una muesca para representar los lugares donde la tensión tiende a acumularse. La medición de estos puntos débiles potenciales en su estado sin tensión y luego nuevamente después de aplicar tensión mostró cambios dramáticos en los patrones de tensiónreconstruido a partir del mapeo de superficie punto por punto.
"Sabemos dónde están las regiones de alto estrés de la estructura, los puntos potenciales de falla", dijo Nagarajaiah. "Podemos cubrir esas regiones con la película y escanearlas en el estado saludable, y luego después de un evento como unterremoto, regrese y vuelva a escanear para ver si la distribución de deformación ha cambiado y la estructura está en riesgo ".
En sus pruebas, los investigadores dijeron que los resultados medidos coincidían estrechamente con los patrones de deformación obtenidos a través de simulaciones computacionales avanzadas. Las lecturas de la piel inteligente les permitieron detectar rápidamente patrones distintivos cerca de las regiones de alto estrés, dijo Nagarajaiah.capaz de ver límites claros entre regiones de tensión de tensión y compresión.
"Medimos puntos separados 1 milímetro, pero podemos ir 20 veces más pequeños cuando sea necesario sin sacrificar la sensibilidad a la tensión", dijo Weisman. Eso es un salto sobre los sensores de tensión estándar, que solo proporcionan lecturas promediadas durante varios milímetros, dijo.
Los investigadores ven que su tecnología está incursionando inicialmente en aplicaciones de nicho, como probar turbinas en motores a reacción o elementos estructurales en sus etapas de desarrollo. "No va a reemplazar todas las tecnologías existentes para la medición de tensión de inmediato", dijo Weisman. "Las tecnologías tiendenestar muy atrincherado y tener mucha inercia.
"Pero tiene ventajas que resultarán útiles cuando otros métodos no pueden hacer el trabajo", dijo. "Espero que sea útil en aplicaciones de investigación de ingeniería, y en el diseño y prueba de estructuras antes de que se implementen enel campo."
Con su piel inteligente refinada, los investigadores están trabajando para desarrollar la próxima generación del lector de deformación, un dispositivo similar a una cámara que puede capturar patrones de deformación en una gran superficie al mismo tiempo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :