I "materiali dell'anello dell'umore" potrebbero svolgere un ruolo importante nel ridurre al minimo e mitigare i danni alle infrastrutture in rovina della nazione.

L'American Society of Civil Engineers ha stimato che entro il 2020 saranno necessari oltre 3,6 trilioni di dollari di investimenti per riabilitare e modernizzare le infrastrutture in rovina della nazione. Il presidente eletto Donald Trump ha promesso di istituire un programma di miglioramento delle infrastrutture da 1 trilione di dollari quando entrerà in carica.

Un elemento importante in qualsiasi sforzo di modernizzazione sarà lo sviluppo di metodi nuovi e migliorati per rilevare i danni in queste strutture prima che diventino critici. È qui che entrano in gioco i "materiali dell'anello dell'umore".

Cospargi una polvere fatata di nanoparticelle in un lotto di resina polimerica trasparente e ottieni "un materiale intelligente che cambia colore quando è danneggiato o sta per cedere, quello che io chiamo un "materiale per anelli dell'umore", '", ha spiegato Cole Brubaker, uno studente di dottorato in ingegneria civile che fa parte di un gruppo di ricerca interdisciplinare presso il Laboratorio per l'integrità e l'affidabilità dei sistemi della Vanderbilt University (LASIR) che sviluppa il nuovo sistema di rilevamento.

Le tecnologie di rilevamento intelligente sono uno dei nuovi campi caldi in ambito civile, ingegneria meccanica e aerospaziale. Questi sforzi si sono generalmente concentrati sullo sviluppo di reti di sensori fisici collegati a strutture di interesse. Però, questo approccio è stato ostacolato dai costi elevati, nonché dai requisiti di alimentazione e di elaborazione dei dati.

I ricercatori LASIR stanno adottando una strategia diversa incorporando nanoparticelle fluorescenti nel materiale stesso che reagiscono allo stress modificando le loro proprietà ottiche al fine di creare un nuovo tipo di sistema di rilevamento in grado di monitorare queste strutture in modo efficiente ed economico.

"Attualmente, ci sono due modi per tenere al sicuro tutto, dai ponti agli aerei, ", ha affermato il Direttore della LASIR, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Professore di ingegneria civile e ambientale. "Uno è mandare le persone a guardarli con una torcia elettrica. Il problema è che è ad alta intensità di lavoro e le persone non possono vedere crepe molto piccole quando si formano. L'altro è installare reti di sensori elaborate che costantemente cercare piccole crepe e rilevarle prima che diventino troppo grandi Il problema è che queste reti sono molto costose e, nel caso di aeromobili, aggiungere molto peso. "Quindi abbiamo bisogno di cambiare in qualche modo i materiali che stiamo usando in modo che illuminino queste piccole crepe".

I primi studi del team, pubblicato lo scorso aprile negli Atti della Conferenza SPIE su Sensori e Smart Structures Technologies for Civil, Sistemi meccanici e aerospaziali, hanno determinato che l'aggiunta di una piccola concentrazione di nanoparticelle speciali (dall'1 al 5 percento in peso) a una matrice polimerica otticamente trasparente produce una firma luminosa distintiva che cambia quando il materiale è soggetto a un'ampia gamma di carichi di compressione e trazione.

Il gruppo Vanderbilt non è l'unico team di ricerca che utilizza nanoparticelle per creare materiali intelligenti, ma hanno un vantaggio speciale. Stanno usando un particolare tipo di nanoparticella chiamata punto quantico a luce bianca. Questi punti quantici sono unici perché emettono luce bianca dove altri punti quantici emettono luce solo a lunghezze d'onda specifiche.

Questi speciali punti quantici sono stati scoperti casualmente nel 2005 nel laboratorio di Sandra Rosenthal, Jack e Pamela Egan Professore di chimica alla Vanderbilt. "Stavamo cercando di creare i più piccoli punti quantici di seleniuro di cadmio possibile e, quando lo abbiamo fatto, siamo rimasti sbalorditi nello scoprire che emettono in un ampio spettro, " ha ricordato.

"I punti quantici di luce bianca hanno proprietà ottiche davvero uniche rispetto ad altre nanoparticelle, "ha detto Talitha Frecker, uno studente laureato in chimica che partecipa allo studio. "La fluorescenza della luce bianca è un fenomeno di superficie".

Avanti veloce fino al 2013, quando Adams si è trasferito a Vanderbilt. Quando ha saputo della scoperta di Rosenthal, si rese conto che i suoi punti quantici erano fatti su misura per creare materiali intelligenti:"Quando mettiamo queste nanoparticelle in un materiale, osservano e reagiscono a ciò che accade intorno a loro."

Ora l'aspettativa di Adam è stata confermata dalla serie di test preliminari che Brubaker ei suoi colleghi hanno condotto. Hanno rivestito strisce di fibra di vetro e alluminio con un rivestimento polimerico contenente punti quantici di luce bianca e le hanno sottoposte a vari gradi di carico esterno. Hanno determinato che l'intensità dello spettro di emissione prodotto dai punti quantici diminuisce all'aumentare del carico. La caduta è maggiore con il carico iniziale e diminuisce gradualmente a livelli di carico più elevati.

"Il meccanismo è ancora un po' poco chiaro, ma abbiamo dimostrato che intrappolare questi punti quantici in pellicole polimeriche ultrasottili su superfici metalliche può fornire un avvertimento anticipato quando il metallo sottostante sta per subire danni fisici o chimici, " ha affermato il professore di ingegneria chimica e biomolecolare Kane Jennings, che partecipa al progetto insieme al dottorando Ian Njoroge.

I ricercatori teorizzano che i punti quantici emettono luce in un ampio spettro perché più dell'80% degli atomi si trovano sulla superficie. Sanno anche che i legami tra gli atomi di superficie e le molecole che li circondano svolgono un ruolo fondamentale.

"Il risultato finale è che la forza delle emissioni di punti quantici ci fornisce una registrazione permanente del livello di stress che un materiale ha subito, ", ha detto Brubaker.

In questo modo, i ricercatori hanno verificato che il materiale può agire come un nuovo tipo di estensimetro che registra in modo permanente la quantità cumulativa di stress che subisce il materiale a cui è applicato.

Nei loro primi esperimenti, gli ingegneri hanno mantenuto i carichi relativamente modesti, sotto 1, 250 libbre, ben entro i limiti elastici che i materiali possono sopportare senza danni permanenti. Ciò ha fornito loro una linea di base che possono utilizzare per confrontare i risultati che ottengono quando si spostano a carichi più elevati che causano il cedimento dei materiali.

I ricercatori sanno che le cose diventeranno più complicate man mano che aumentano gli stress che stanno applicando.

Per esempio, in una serie di test hanno eseguito con cilindri epossidici, che si deformava in una forma a botte sotto compressione, hanno scoperto che lo spettro di emissione è effettivamente aumentato, invece di diminuire. Ipotizzano che questo aumento dell'emissione si sia verificato perché la deformazione ha effettivamente compresso le nanoparticelle più vicine tra loro, quindi ce ne sono state di più all'interno della piccola area in cui stavano misurando l'emissione.

I ricercatori hanno già riscontrato una di queste complicazioni quando hanno testato campioni di fibra di vetro rivestiti in superficie. Quando questi campioni sono stati caricati sotto sforzo di trazione, lo spettro delle emissioni è diminuito molto come ha fatto con i campioni di alluminio fino a quando il carico ha raggiunto circa 350 libbre. Ma poi ha cominciato a salire.

Dallo schiocco e dal cracking provenienti dai campioni, si sono resi conto che questo era il punto in cui le singole fibre nel campione iniziavano a rompersi. Essi ipotizzano che l'emissione sia aumentata perché i punti quantici precedentemente nascosti all'interno della matrice in fibra di vetro sono stati esposti quando le fibre hanno iniziato a cedere. Ciò ha nuovamente aumentato il numero di punti quantici all'interno di una determinata area, provocando un aumento del livello di emissione globale.

Il team LASIR si rende conto anche che c'è un altro problema che dovranno risolvere per realizzare un pratico sistema di rilevamento dei danni. I punti quantici soffrono di foto-sbiancamento. Questo è, quando sono esposti alla luce perdono gradualmente la loro fluorescenza nel tempo. Di conseguenza, il materiale deve essere schermato dalla luce esterna.

"C'è molto che dobbiamo imparare prima di poter creare un materiale intelligente pronto per le applicazioni del mondo reale, ma tutti i segnali sono positivi, " ha detto Adams. "Alcuni dei nostri partner commerciali sono molto interessati, quindi ci sono buone probabilità che venga adottato se si comporta così come pensiamo".