Los mapas de deformación experimentales (izquierda) y simulados (derecha) alrededor de un orificio a través de una barra de aluminio muestran que la “piel inteligente” infundida con nanotubos desarrollada en la Universidad de Rice puede evaluar eficazmente la deformación en los materiales. La técnica se puede utilizar para aviones, naves espaciales e infraestructuras críticas en las que es necesario controlar la deformación mecánica. Crédito:Satish Nagarajaiah Group / Weisman Research Group / Rice University
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 estructuras recubiertas con una película de nanotubos de dos capas y un polímero protector. La tensión en la superficie se mostrará como cambios en las longitudes de onda de la luz del infrarrojo cercano emitida por la película y capturada por un lector de mano miniaturizado. Los resultados mostrarán a los ingenieros y al personal de mantenimiento si estructuras como puentes o aeronaves se han deformado por eventos que inducen estrés o por desgaste regular.
Como una camisa blanca bajo una luz ultravioleta, Los nanotubos de carbono de pared simple son fluorescentes. una propiedad descubierta en 2002 en el laboratorio del químico de Rice Bruce Weisman. En un proyecto de investigación básica unos años después, el grupo demostró que estirar un nanotubo cambia el color de su fluorescencia.
Cuando los resultados de Weisman llamaron la atención del ingeniero ambiental y civil de Rice, Satish Nagarajaiah, que había estado trabajando de forma independiente en ideas similares utilizando espectroscopía Raman, pero a escala macro, desde 2003, sugirió colaborar para convertir ese fenómeno científico en una tecnología útil para la detección de deformaciones.
Ahora, Nagarajaiah y Weisman y han publicado un par de artículos importantes sobre su proyecto de "piel inteligente". El primero aparece en Structural Control &Health Monitoring, e introduce la última versión de la tecnología que revelaron por primera vez en 2012.
Describe un método para depositar la película microscópica sensora 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 que no se puede lograr con ningún otro método sin contacto.
El segundo papel, en el Journal of Structural Engineering, detalla los resultados de las pruebas de piel inteligente en muestras de metal con irregularidades donde el estrés y la deformación a menudo se concentran.
"El proyecto comenzó como ciencia pura sobre 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 ampliarse 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 estilo aerógrafo, y también desarrolló dispositivos de escaneo que capturan automáticamente datos de múltiples puntos programados. A diferencia de los sensores convencionales que solo miden la deformación en un punto a lo largo de un eje, la película inteligente se puede probar selectivamente para revelar la tensión en cualquier dirección y ubicación.
"Piel inteligente" capaz de detectar tensión en materiales, inventado en la Universidad de Rice, comienza con los nanotubos de carbono y su capacidad única para cambiar su fluorescencia bajo estrés. Cuando se fija a una superficie, se pueden utilizar para controlar el estrés a lo largo del tiempo mediante espectroscopía. Crédito:Satish Nagarajaiah Group / Weisman Research Group / Rice University
La película de dos capas tiene solo unas pocas micras de espesor, una fracción del ancho de un cabello humano, y apenas 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 de protección, la emisión de nanotubos es más clara y podemos escanear a una resolución mucho mayor. 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 estrés y luego nuevamente después de aplicar el estrés mostró cambios dramáticos en los patrones de deformación ensamblados a partir del mapeo de la superficie punto por punto.
"Sabemos dónde están las regiones de alta tensión de la estructura, los puntos potenciales de falla, ", Dijo Nagarajaiah." Podemos cubrir esas regiones con la película y escanearlas en un estado saludable, y luego, después de un evento como un terremoto, retroceda y vuelva a escanear para ver si la distribución de la 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. También pudieron ver límites claros entre las regiones de tensión de tracción y compresión.
"Medimos puntos separados por un milímetro, pero podemos ser 20 veces más pequeños cuando sea necesario sin sacrificar la sensibilidad a la tensión, ", Dijo Weisman. Eso es un salto con respecto a los sensores de deformación estándar, que solo proporcionan lecturas promediadas en varios milímetros, él dijo.
Los investigadores ven que su tecnología hace incursiones iniciales en aplicaciones de nicho, como probar turbinas en motores a reacción o elementos estructurales en sus etapas de desarrollo. "No reemplazará todas las tecnologías existentes para la medición de deformaciones de inmediato, ", Dijo Weisman." Las tecnologías tienden a estar muy arraigadas y tienen mucha inercia.
"Pero tiene ventajas que resultarán útiles cuando otros métodos no puedan hacer el trabajo, ", dijo." Espero que encuentre uso en aplicaciones de investigación de ingeniería, y en el diseño y prueba de estructuras antes de su despliegue en el campo ".
Con su elegante piel refinada, los investigadores están trabajando para desarrollar la próxima generación de lectores de cepas, un dispositivo similar a una cámara que puede capturar patrones de tensión sobre una gran superficie a la vez.
Los coautores de ambos artículos son los investigadores predoctorales de Rice, Peng Sun y Ching-Wei Lin, y el científico investigador Sergei Bachilo. Weisman es profesor de química y ciencia de los materiales y nanoingeniería. Nagarajaiah es profesor de ingeniería civil y ambiental, de la ingeniería mecánica, y de ciencia de materiales y nanoingeniería.
