Un'illustrazione mostra come la luce polarizzata di un laser e uno spettrometro nel vicino infrarosso potrebbero leggere i livelli di deformazione in un materiale rivestito con vernice infusa di nanotubi inventata alla Rice University. (Credito:Bruce Weisman/Rice University)
Un nuovo tipo di vernice realizzata con nanotubi di carbonio presso la Rice University può aiutare a rilevare la deformazione negli edifici, ponti e aeroplani.
Gli scienziati di Rice chiamano la loro miscela "strain paint" e sperano che possa aiutare a rilevare deformazioni in strutture come le ali degli aeroplani. Il loro studio, pubblicato online questo mese dalla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere dettaglia un rivestimento composito che hanno inventato che potrebbe essere letto da uno spettrometro a infrarossi portatile.
Questo metodo potrebbe dire dove un materiale mostra segni di deformazione ben prima che gli effetti diventino visibili ad occhio nudo, e senza toccare la struttura. I ricercatori hanno affermato che questo fornisce un grande vantaggio rispetto agli estensimetri convenzionali, che devono essere fisicamente collegati ai loro dispositivi di lettura. Inoltre, il sistema basato su nanotubi potrebbe misurare la deformazione in qualsiasi luogo e lungo qualsiasi direzione.
Il professore di chimica del riso Bruce Weisman ha guidato la scoperta e l'interpretazione della fluorescenza nel vicino infrarosso da nanotubi di carbonio semiconduttori nel 2002, e da allora ha sviluppato e utilizzato una nuova strumentazione ottica per esplorare le proprietà fisiche e chimiche dei nanotubi.
Satish Nagarajaiah, un professore di Rice di ingegneria civile e ambientale e di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, e i suoi collaboratori hanno guidato lo sviluppo nel 2004 del rilevamento della deformazione per il monitoraggio dell'integrità strutturale a livello macro utilizzando le proprietà elettriche dei nanofilm di carbonio:reti/insiemi densi di nanotubi. Da allora ha continuato a studiare nuovi metodi di rilevamento della deformazione utilizzando vari nanomateriali.
Ma è stato un colpo di fortuna che Weisman e Nagarajaiah abbiano partecipato allo stesso workshop della NASA nel 2010. Lì, Weisman ha tenuto una conferenza sulla fluorescenza dei nanotubi. Come un volo di fantasia, Egli ha detto, ha incluso un'illustrazione di un ipotetico sistema che utilizzerebbe i laser per rivelare i ceppi nell'ala nanorivestita di una navetta spaziale.
"Dopo sono andato da lui e gli ho detto:'Bruce, sai che possiamo effettivamente provare a vedere se funziona?'", ha ricordato Nagarajaiah.
La fluorescenza dei nanotubi mostra grande, cambiamenti di lunghezza d'onda prevedibili quando i tubi vengono deformati da tensione o compressione. La vernice -- e quindi ogni nanotubo, circa 50, 000 volte più sottile di un capello umano:subirebbe lo stesso sforzo della superficie su cui è dipinto e darebbe un'immagine chiara di ciò che sta accadendo sotto.
"Per un aereo, i tecnici in genere applicano estensimetri convenzionali in punti specifici sull'ala e la sottopongono a test di vibrazione forzati per vedere come si comporta, " Nagarajaiah ha detto. "Possono farlo solo a terra e possono misurare solo parte di un'ala in direzioni e posizioni specifiche in cui sono cablati gli estensimetri. Ma con la nostra tecnica senza contatto, potrebbero puntare il laser in qualsiasi punto dell'ala e ottenere una mappa di deformazione lungo qualsiasi direzione".
Il professor Bruce Weisman della Rice University ha introdotto l'idea della vernice di tensione per trovare punti deboli nei materiali con questa diapositiva da una presentazione alla NASA nel 2010. (Credit:Bruce Weisman/Rice University)
Ha detto che la vernice di tensione potrebbe essere progettata con proprietà multifunzionali per applicazioni specifiche. "Può avere anche altri vantaggi, " Nagarajaiah ha detto. "Può essere un film protettivo che impedisce la corrosione o potrebbe aumentare la resistenza del materiale sottostante".
Weisman ha affermato che il progetto richiederà un ulteriore sviluppo del rivestimento prima che un tale prodotto possa essere immesso sul mercato. "Avremo bisogno di ottimizzare i dettagli della sua composizione e preparazione, e trovare il modo migliore per applicarlo alle superfici che verranno monitorate, " ha detto. "Questi problemi di fabbricazione / ingegneria dovrebbero essere affrontati per garantire prestazioni adeguate, anche prima di iniziare a lavorare su strumenti di lettura portatili."
"Ci sono anche sottigliezze su come le interazioni tra i nanotubi, l'ospite polimerico e il substrato influenzano la riproducibilità e la stabilità a lungo termine degli spostamenti spettrali. Per misurazioni reali, queste sono considerazioni importanti, "Ha detto Weismann.
Ma nessuno di questi problemi sembra insormontabile, Egli ha detto, e la costruzione di un lettore di deformazione ottico portatile dovrebbe essere relativamente semplice. "Esistono già spettrometri a infrarossi abbastanza compatti che potrebbero funzionare a batteria, "Ha detto Weisman. "Anche laser e ottiche in miniatura sono prontamente disponibili. Quindi non richiederebbe l'invenzione di nuove tecnologie, semplicemente combinando componenti che già esistono.
"Sono fiducioso che se ci fosse mercato, l'apparecchiatura di lettura potrebbe essere miniaturizzata e imballata. Non è fantascienza".
