Los "materiales del anillo de estado de ánimo" podrían desempeñar un papel importante para minimizar y mitigar los daños a la infraestructura defectuosa de la nación.

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles ha estimado que se necesitan más de $ 3.6 billones en inversiones para 2020 para rehabilitar y modernizar la infraestructura defectuosa de la nación. El presidente electo, Donald Trump, ha prometido establecer un programa de mejora de infraestructura de un billón de dólares cuando asuma el cargo.

Un elemento importante en cualquier esfuerzo de modernización será el desarrollo de métodos nuevos y mejorados para detectar daños en estas estructuras antes de que sean críticos. Ahí es donde entran los "materiales de anillo de estado de ánimo".

Espolvorea un polvo de duendecillo de nanopartículas en un lote de resina de polímero transparente y obtendrás "un material inteligente que cambia de color cuando está dañado o a punto de fallar, lo que yo llamo un 'material de anillo de estado de ánimo, '", explicó Cole Brubaker, estudiante de doctorado en ingeniería civil que forma parte de un equipo de investigación interdisciplinario en el Laboratorio de Integridad y Confiabilidad de Sistemas (LASIR) de la Universidad de Vanderbilt, que desarrolla el nuevo sistema de detección.

Las tecnologías de detección inteligente son uno de los nuevos campos candentes en civil, ingeniería mecánica y aeroespacial. Estos esfuerzos se han centrado generalmente en el desarrollo de redes de sensores físicos que se adjuntan a estructuras de interés. Sin embargo, este enfoque se ha visto obstaculizado por el alto costo, así como por los requisitos de procesamiento de datos y energía.

Los investigadores de LASIR están tomando un rumbo diferente al incorporar nanopartículas fluorescentes en el propio material que reaccionan al estrés cambiando sus propiedades ópticas para crear un nuevo tipo de sistema de detección que pueda monitorear estas estructuras de una manera eficiente y rentable.

"En la actualidad, Hay dos formas de mantener seguro todo, desde puentes hasta aviones, "dijo el Director de LASIR, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Catedrático de Ingeniería Civil y Ambiental. "Una es enviar gente a mirarlos con una linterna. El problema con esto es que requiere mucha mano de obra y la gente no puede ver grietas muy pequeñas cuando se forman. La otra es instalar elaboradas redes de sensores que constantemente buscar pequeñas grietas y detectarlas antes de que crezcan demasiado. El problema es que estas redes son muy caras y, en el caso de aviones, agregar mucho peso. "Por lo tanto, necesitamos cambiar de alguna manera los materiales que estamos usando para que iluminen estas pequeñas grietas".

Los estudios iniciales del equipo, publicado el pasado mes de abril en las Actas de la Conferencia SPIE sobre tecnologías de sensores y estructuras inteligentes para civiles, Sistemas mecánicos y aeroespaciales, han determinado que agregar una pequeña concentración de nanopartículas especiales (1 a 5 por ciento en peso) a una matriz de polímero ópticamente transparente produce una firma luminosa distintiva que cambia a medida que el material se somete a una amplia gama de cargas de compresión y tracción.

El grupo Vanderbilt no es el único equipo de investigación que utiliza nanopartículas para crear materiales inteligentes, pero tienen una ventaja especial. Están usando un tipo particular de nanopartícula llamado punto cuántico de luz blanca. Estos puntos cuánticos son únicos porque emiten luz blanca donde otros puntos cuánticos solo emiten luz en longitudes de onda específicas.

Estos puntos cuánticos especiales fueron descubiertos accidentalmente en 2005 en el laboratorio de Sandra Rosenthal, Jack y Pamela Egan Profesores de Química en Vanderbilt. "Estábamos tratando de hacer los puntos cuánticos de seleniuro de cadmio más pequeños posibles y, cuando lo hicimos, nos sorprendió descubrir que emiten en un amplio espectro, "ella recordó.

"Los puntos cuánticos de luz blanca tienen propiedades ópticas muy singulares en comparación con otras nanopartículas, "dijo Talitha Frecker, un estudiante graduado de química que participa en el estudio. "La fluorescencia de la luz blanca es un fenómeno de superficie".

Avance rápido hasta 2013 cuando Adams se mudó a Vanderbilt. Cuando se enteró del descubrimiento de Rosenthal, se dio cuenta de que sus puntos cuánticos estaban hechos a medida para crear materiales inteligentes:"Cuando colocamos estas nanopartículas en un material, observan y reaccionan a lo que sucede a su alrededor ".

Ahora, la expectativa de Adam ha sido confirmada por la serie de pruebas preliminares que han realizado Brubaker y sus colegas. Tienen tiras de fibra de vidrio y aluminio recubiertas con un recubrimiento de polímero que contiene puntos cuánticos de luz blanca y las han sometido a diversos grados de carga externa. Han determinado que la intensidad del espectro de emisión producido por los puntos cuánticos disminuye a medida que aumenta la carga. La caída es mayor con la carga inicial y disminuye gradualmente a niveles más altos de carga.

"El mecanismo aún no está claro, pero hemos demostrado que atrapar estos puntos cuánticos en películas de polímero ultradelgadas en superficies metálicas puede proporcionar una advertencia anticipada cuando el metal subyacente está a punto de sufrir daños físicos o químicos, "dijo el profesor de Ingeniería Química y Biomolecular Kane Jennings, quien participa en el proyecto junto con el estudiante de doctorado Ian Njoroge.

Los investigadores teorizan que los puntos cuánticos emiten luz en un amplio espectro porque más del 80 por ciento de los átomos se encuentran en la superficie. También saben que los enlaces entre los átomos de la superficie y las moléculas que los rodean juegan un papel fundamental.

"El resultado final es que la fuerza de las emisiones de puntos cuánticos nos da un registro permanente del nivel de estrés que ha experimentado un material, "dijo Brubaker.

De esta manera los investigadores han verificado que el material puede actuar como un nuevo tipo de galga extensométrica que registra permanentemente la cantidad acumulada de tensión que experimenta el material al que se aplica.

En sus experimentos iniciales, los ingenieros han mantenido las cargas relativamente modestas, menores de 1, 250 libras, bien dentro de los límites elásticos que los materiales pueden soportar sin daño permanente. Esto les ha proporcionado una línea de base que pueden usar para comparar los resultados que obtienen a medida que se mueven a cargas más altas que hacen que los materiales comiencen a fallar.

Los investigadores saben que las cosas se complicarán a medida que aumenten las tensiones que están aplicando.

Por ejemplo, en una serie de pruebas que realizaron con cilindros epoxi, que se deforma en forma de barril bajo compresión, encontraron que el espectro de emisión en realidad aumentó, en lugar de disminuir. Ellos plantean la hipótesis de que este aumento en la emisión ocurrió porque la deformación en realidad apretó las nanopartículas más juntas, por lo que había más dentro del área pequeña donde estaban midiendo la emisión.

Los investigadores ya se han encontrado con una de estas complicaciones cuando probaron muestras de fibra de vidrio revestidas en la superficie. Cuando estas muestras se cargaron bajo tensión de tracción, el espectro de emisiones disminuyó tanto como lo hizo con las muestras de aluminio hasta que la carga alcanzó unas 350 libras. Pero luego empezó a subir.

Por los estallidos y grietas provenientes de las muestras, se dieron cuenta de que este era el punto en el que las fibras individuales de la muestra comenzaban a romperse. Ellos plantean la hipótesis de que la emisión aumentó porque los puntos cuánticos que antes estaban ocultos dentro de la matriz de fibra de vidrio quedaron expuestos cuando las fibras comenzaron a fallar. Esto nuevamente aumentó el número de puntos cuánticos dentro de un área determinada, provocando que el nivel general de emisiones aumente.

El equipo de LASIR también se da cuenta de que hay otro problema que tendrán que resolver para hacer un sistema práctico de detección de daños. Los puntos cuánticos sufren fotoblanqueo. Es decir, cuando se exponen a la luz, pierden gradualmente su fluorescencia con el tiempo. Como resultado, el material debe protegerse de la luz externa.

"Hay mucho que aprender antes de que podamos crear un material inteligente que esté listo para aplicaciones del mundo real, pero todas las señales son positivas, ", dijo Adams." Algunos de nuestros socios comerciales están muy interesados, por lo que hay una buena posibilidad de que se adopte si funciona tan bien como creemos ".