(Noticias de Nanowerk) Una piel inteligente sensible al estiramiento 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.
Presentado por primera vez por Rice en 2012, «Strain Color» utiliza las propiedades fluorescentes de los nanotubos para indicar cuándo una superficie ha sido deformada por el estrés.
El recubrimiento multicapa, ahora desarrollado como parte de un sistema de vigilancia óptica sin contacto llamado S4, se puede aplicar a grandes superficies (puentes, edificios, barcos y aviones, para empezar) donde el uso intensivo 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, es anterior al descubrimiento de Weisman en 2002 de que los nanotubos de carbono semiconductores emiten fluorescencia en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Luego desarrolló instrumentos ópticos para estudiar las propiedades físicas y químicas de los nanotubos, incluidos los efectos de tensión espectroscópica en 2008.
Por otra parte, en 2004, Nagarajaiah propuso y desarrolló un sensor óptico de deformación sin contacto utilizando películas de nanotubos de carbono unidas a elementos estructurales con epoxi y estudiado con espectroscopia Raman.
Sus caminos de investigación independientes se fusionaron en un proyecto conjunto en 2008 cuando Weisman y Nagarajaiah descubrieron que los nanotubos de carbono de pared simple incrustados en un polímero y unidos a un elemento estructural experimentan la misma tensión y pueden informar esto ópticamente a través de cambios espectrales en su fluorescencia del infrarrojo cercano. . Informaron este hallazgo en un artículo de 2012.
«Las mediciones de tensión a menudo se toman como parte de las inspecciones relacionadas con la seguridad», dijo Weisman. “Esta comunidad técnica es con razón conservadora porque sus mediciones deben ser confiables. Así que tenemos que 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 tecnología de medición de tensión seria», dijo.
Los detalles del sistema sin contacto de próxima generación aparecen en Nature’s Informes científicos («Mapeo óptico de tensión 2D de próxima generación con piel inteligente sensible a la tensión versus correlación de imagen digital»).
El mapeo de deformaciones se basó en dos tecnologías: medidores físicos adjuntos a estructuras y correlación de imágenes digitales (DIC), que se utilizan para comparar imágenes tomadas a lo largo del tiempo de superficies con «motas» incrustadas.
Weisman dijo que S4 no tiene problemas con DIC. Mejor aún, las dos técnicas pueden funcionar juntas. «Queríamos hacer una comparación directa con DIC, que es el único método de mapeo de contaminación disponible comercialmente», dijo. “Se usa en una variedad de industrias y la gente tiene un nivel bastante alto de confianza en él.
«Para demostrar que nuestro método puede respaldarse y lograr resultados similares o mejores, Wei desarrolló un método que integra S4 y DIC para que ambas técnicas puedan usarse simultáneamente e incluso complementarse entre sí», dijo Weisman.
La piel en sí consta de tres capas, cuya estructura se basa en la superficie que cubren. Por lo general, primero se aplica 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 sensora de nanotubos recubiertos individualmente suspendidos en tolueno se rocía en la parte superior.
El tolueno se evapora, dejando una capa sensora de nanotubos de espesor submicrónico unida al elemento estructural. Se puede aplicar una capa protectora adicional en la parte superior 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 de mano para ver cómo se estresan.
Meng comparó cuidadosamente S4 con DIC y simulaciones por computadora en pruebas en varillas acrílicas en forma de I con un orificio o un corte, y bloques de hormigón y placas de aluminio con orificios perforados para centrarse en los patrones de tensión. En cada caso, S4 proporcionó una vista precisa y de alta resolución de las muestras estresadas que fue comparable o mejor que los resultados DIC simultáneos.
Medir concreto fue un desafío visual. «Descubrimos que el cemento en el concreto tiene una emisión intrínseca de infrarrojo cercano que interfiere con nuestras mediciones de deformación», dijo Nagarajaiah. «Wei pasó una enorme cantidad de tiempo, especialmente durante la pandemia, trabajando cuidadosamente en una nueva arquitectura para bloquear estas señales».
En lugar de la capa base blanca habitual, una base negra que también incluye las motas hizo el truco, dijo.
«Hay un beneficio adicional de S4 sobre DIC que no apreciamos hasta hace poco», dijo Weisman. “Para lograr buenos resultados con 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 fácil tomar los datos, pero interpretarlos requiere mucho juicio.
«Nuestro método es muy diferente», dijo. “Es casi igual de fácil recolectar los datos, pero el análisis para crear el mapa de tensión S4 se realiza automáticamente. Eso será una ventaja a largo plazo”.
«No tengo ninguna duda de que este es un método de mapeo de tensión de última generación», dijo Nagarajaiah. “Lo hemos probado en componentes de metal, plástico y hormigón con microfisuras y daños complejos en el subsuelo y funciona en todos los casos. Creo que hemos llegado a la etapa en la que está listo para su implementación y estamos trabajando con la industria para ver cómo puede ayudar».
