Una piel inteligente de tres capas en una estructura puede detectar la tensión a través de la fluorescencia de los nanotubos de carbono incrustados, según sus inventores en la Universidad de Rice. La piel se puede pintar o rociar en edificios, puentes, aviones y barcos para proporcionar una forma sin contacto de monitorear la salud estructural de una estructura. Crédito:Grupos de Investigación Nagarajaiah y Weisman / Universidad Rice
Una piel inteligente con detección de tensión desarrollada en la Universidad de Rice que utiliza estructuras muy pequeñas, nanotubos de carbono, para monitorear y detectar daños en estructuras grandes está lista para su estreno.
La "pintura de tensión" revelada por primera vez por Rice en 2012 utiliza las propiedades fluorescentes de los nanotubos para mostrar cuándo una superficie ha sido deformada por el estrés.
Ahora desarrollado como parte de un sistema de monitoreo óptico sin contacto conocido como S4, el revestimiento multicapa se puede aplicar a grandes superficies (puentes, edificios, barcos y aviones, para empezar) donde la alta tensión representa una amenaza invisible.
El proyecto dirigido por el químico de Rice Bruce Weisman, el ingeniero estructural Satish Nagarajaiah y el autor principal y estudiante graduado Wei Meng surge del descubrimiento de Weisman en 2002 de que los nanotubos de carbono semiconductores emiten fluorescencia en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Posteriormente desarrolló instrumentos ópticos para explorar las propiedades físicas y químicas de los nanotubos, incluidos los efectos de tensión espectroscópica, en 2008.
Una comparación de medidas en un acrílico bajo tensión muestra que el sistema S4 de la Universidad de Rice, a la izquierda, proporciona una lectura más detallada que la correlación de imagen digital estándar (DIC) a la derecha. Crédito:Grupos de Investigación Nagarajaiah y Weisman / Universidad Rice
De forma independiente, en 2004, Nagarajaiah propuso y desarrolló un sensor óptico de deformación sin contacto que utiliza películas de nanotubos de carbono unidas a miembros estructurales con epoxi y sondeadas con espectroscopia Raman.
Sus caminos de investigación independientes se fusionaron en un proyecto común en 2008 cuando Weisman y Nagarajaiah descubrieron que los nanotubos de carbono de pared simple incrustados en un polímero y unidos a un miembro estructural experimentarán la misma tensión y pueden informarla ópticamente a través de cambios espectrales en su infrarrojo cercano. fluorescencia. Informaron ese hallazgo en un artículo de 2012.
"Las mediciones de tensión a menudo se realizan como parte de las inspecciones relacionadas con la seguridad", dijo Weisman. "Esa comunidad técnica es legítimamente conservadora, porque sus mediciones deben ser confiables. Por lo tanto, debemos superar el escepticismo sobre los nuevos métodos demostrando que el nuestro es tan válido como los establecidos".
"Este documento presenta las credenciales de nuestro método como una tecnología de medición de tensión seria", dijo.
Los detalles del sistema sin contacto de próxima generación aparecen en Scientific Reports.
El mapeo de deformaciones se ha basado en dos tecnologías:medidores físicos adjuntos a estructuras y correlación de imágenes digitales (DIC), que se usa para comparar imágenes tomadas a lo largo del tiempo de superficies con "motas" incrustadas.
Un laboratorio de la Universidad de Rice prueba material cubierto con una piel inteligente que detecta la tensión. El recubrimiento multicapa contiene nanotubos de carbono que emiten fluorescencia cuando están bajo tensión, igualando la tensión experimentada por el material debajo. Crédito:Jeff Fitlow/Universidad Rice
Weisman dijo que S4 resiste fácilmente a DIC. Mejor aún, las dos técnicas pueden funcionar juntas. "Queríamos hacer una comparación directa con DIC, que es el único método de mapeo comercializado para la tensión", dijo. "Se usa en varias industrias y la gente tiene un nivel de confianza bastante alto en él.
"Para demostrar que nuestro método puede estar junto a él y obtener resultados similares o mejores, Wei ideó un método para incorporar S4 y DIC para que ambas técnicas puedan usarse simultáneamente e incluso complementarse entre sí", dijo Weisman.
La piel en sí tiene tres capas, su configuración adaptada a la superficie que cubren. Por lo general, primero se pinta una imprimación opaca que contiene las motas DIC. La segunda capa es un poliuretano transparente que aísla la base de los nanotubos. Finalmente, la capa de detección de nanotubos revestidos individualmente, suspendidos en tolueno, se rocía encima. El tolueno se evapora, dejando una capa sensible de nanotubos de espesor submicrónico adherida al miembro estructural. Se puede aplicar una capa protectora adicional encima para mantener la piel activa durante años.
El sistema también requiere un lector, en este caso un pequeño láser visible para excitar los nanotubos y un espectrómetro portátil para ver cómo se tensan.
Meng comparó cuidadosamente S4 con DIC y simulaciones por computadora en pruebas en barras acrílicas en forma de I con un orificio o un corte, y en bloques de hormigón y placas de aluminio con orificios perforados para enfocar los patrones de tensión. En todos los casos, S4 brindó una vista precisa y de alta resolución de las muestras estresadas que fue comparable o mejor que los resultados DIC simultáneos.
Medir el hormigón planteó un desafío óptico. "Descubrimos que el cemento en el concreto tiene una emisión intrínseca de infrarrojo cercano que interfiere con nuestras mediciones de tensión", dijo Nagarajaiah. "Wei pasó una enorme cantidad de tiempo, especialmente durante la pandemia, trabajando cuidadosamente en una nueva arquitectura para bloquear esas señales".
En lugar de la capa base blanca habitual, una base negra que también contiene las motas sirvió para el propósito, dijo.
"Hay una ventaja adicional de S4 sobre DIC que no habíamos apreciado hasta hace poco", dijo Weisman. "Ese es el hecho de que para obtener buenos resultados de DIC se requiere un alto nivel de experiencia por parte del operador. Las empresas nos dicen que solo sus ingenieros están calificados para usarlo. Es simple tomar los datos, pero la interpretación requiere mucho de juicio.
"Nuestro método es bastante diferente", dijo. "Es casi igual de fácil tomar los datos, pero el análisis para obtener el mapa de tensión S4 es automático. A la larga, será una ventaja".
"No tengo ninguna duda de que este es un método de mapeo de tensión de última generación", dijo Nagarajaiah. "Lo probamos en elementos estructurales hechos de metales, plásticos y hormigón con microfisuras complejas y daños en la superficie, y funciona en todos los casos. Creo que hemos llegado a la etapa en la que está listo para su implementación y nos estamos comprometiendo con la industria para aprender cómo puede ayudarlos".
El estudiante graduado Wei Meng trabaja en una plataforma de prueba en un laboratorio de la Universidad de Rice, validando mediciones de tensión en una variedad de materiales con una piel inteligente que detecta la tensión. Crédito:Jeff Fitlow/Universidad Rice
El científico investigador de Rice, Sergei Bachilo, y el estudiante graduado Ashish Pal son coautores del estudio. Weisman es profesor de química y de ciencia de materiales y nanoingeniería. Nagarajaiah es profesor de ingeniería civil y ambiental, de ciencia de materiales y nanoingeniería y de ingeniería mecánica. La fluorescencia del silicio brilla a través de las microfisuras en el cemento y revela los primeros signos de daño
