Un team del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha sviluppato uno strumento per monitorare i cambiamenti nei materiali compositi ampiamente utilizzati noti come polimeri rinforzati con fibre (FRP), che può essere trovato in tutto, dall'aerospaziale e le infrastrutture alle turbine eoliche. Il nuovo strumento, integrato in questi materiali, può aiutare a misurare il danno che si verifica con l'età.

"Questo ci dà la possibilità di svilupparci meglio, compositi più resistenti alla fatica, " ha detto il chimico del NIST Jeff Gilman. "Possiamo vedere quando la fibra inizia a rompersi. Ora abbiamo un modo per quantificare i danni".

Dagli anni Sessanta, gli scienziati hanno sperimentato modi per rendere gli FRP più leggeri e più forti. Questo ha spesso significato testare il legame tra fibra e resina. Come riportato in una precedente pubblicazione, il team del NIST ha aggiunto piccole molecole che diventano fluorescenti dopo l'impatto della forza meccanica. Queste molecole, chiamati "meccanofori, " cambia colore o accendi, aiutando a identificare minuscole aperture o crepe di dimensioni nanometriche tra la fibra e la resina.

Il team del NIST ha portato questa tecnologia al livello successivo incorporando il meccanoforo in tutta la resina composita. Anche se non si nota ad occhio nudo, l'approccio più recente consente agli scienziati di utilizzare speciali tecniche di imaging al microscopio per misurare i danni dell'FRP. L'approccio incorpora una quantità minima (meno dello 0,1% di massa) di un colorante fluorescente chiamato rodamina che non provoca cambiamenti apprezzabili nelle proprietà fisiche del materiale.

Se il nuovo meccanoforo è incorporato in strutture in FRP, i test sul campo per la fatica potrebbero essere eseguiti in modo economico e su base regolare. Strutture come le turbine eoliche possono essere facilmente scansionate per individuare crepe interne, anche anni dopo che sono stati eretti.

Il lavoro iniziale con questo nuovo strumento ha anche rivelato una sorpresa riguardo ai danni dell'FRP. Quando una fibra si rompe, emette una sorta di "onda d'urto" che si muove attraverso il materiale, spiegò Jeremiah Woodcock, l'autore principale di un nuovo articolo sul meccanoforo pubblicato su Composites Science and Technology. Nel passato, si riteneva che la maggior parte del danno si verificasse nel punto di rottura.

"Pensavamo che quando abbiamo guardato i risultati, ci sarebbe un alone di luce intorno alla fessura, mostrando la fluorescenza del meccanoforo, " disse Woodcock. Invece, hanno scoperto che il danno si verifica in luoghi molto remoti dal punto di frattura della fibra. "È come se sapessimo del terremoto ma non dello tsunami che ne è seguito".

La ricerca sui meccanofori del NIST ha anche scoperto che i test esistenti stavano danneggiando involontariamente la resistenza del materiale. Questo ha, a sua volta, ha portato designer e ingegneri a sovraprogettare gli FRP. Utilizzando il meccanoforo potrebbe, perciò, abbattere i costi energetici e di produzione e aumentare i modi in cui questi materiali vengono utilizzati nell'industria.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.