Le mappe di deformazione sperimentali (a sinistra) e simulate (a destra) attorno a un foro attraverso una barra di alluminio mostrano che la "pelle intelligente" infusa di nanotubi sviluppata alla Rice University può valutare efficacemente la deformazione nei materiali. La tecnica può essere utilizzata per aerei, veicoli spaziali e infrastrutture critiche in cui è necessario monitorare la sollecitazione meccanica. Credito:Satish Nagarajaiah Group/Weisman Research Group/Rice University
Grazie ad una caratteristica peculiare dei nanotubi di carbonio, gli ingegneri saranno presto in grado di misurare la deformazione accumulata in un aeroplano, un ponte o una conduttura – o qualsiasi cosa – su tutta la superficie o fino a livelli microscopici.
Lo faranno illuminando le strutture rivestite con una pellicola di nanotubi a due strati e un polimero protettivo. La deformazione in superficie si presenterà come cambiamenti nelle lunghezze d'onda della luce nel vicino infrarosso emessa dal film e catturata da un lettore portatile miniaturizzato. I risultati mostreranno agli ingegneri e alle squadre di manutenzione se strutture come ponti o aerei sono state deformate da eventi stressanti o da normale usura.
Come una camicia bianca sotto una luce ultravioletta, i nanotubi di carbonio a parete singola sono fluorescenti, una proprietà scoperta nel 2002 nel laboratorio del chimico del riso Bruce Weisman. In un progetto di ricerca di base alcuni anni dopo, il gruppo ha mostrato che lo stiramento di un nanotubo cambia il colore della sua fluorescenza.
Quando i risultati di Weisman giunsero all'attenzione dell'ingegnere civile e ambientale della Rice, Satish Nagarajaiah, che aveva lavorato indipendentemente su idee simili usando la spettroscopia Raman, ma su scala macro, dal 2003, ha suggerito di collaborare per trasformare quel fenomeno scientifico in una tecnologia utile per il rilevamento della deformazione.
Ora, Nagarajaiah e Weisman e hanno pubblicato un paio di importanti articoli sul loro progetto "pelle intelligente". Il primo appare in Controllo strutturale e monitoraggio della salute, e introduce l'ultima versione della tecnologia rivelata per la prima volta nel 2012.
Descrive un metodo per depositare il film microscopico sensibile ai nanotubi separatamente da uno strato superiore protettivo. I cambiamenti di colore nell'emissione dei nanotubi indicano la quantità di deformazione nella struttura sottostante. I ricercatori affermano che consente la mappatura bidimensionale della tensione accumulata che non può essere ottenuta con nessun altro metodo senza contatto.
La seconda carta, nel Journal of Structural Engineering, dettaglia i risultati del test della pelle intelligente su campioni di metallo con irregolarità in cui lo stress e la tensione sono spesso concentrati.
"Il progetto è iniziato come pura scienza sulla spettroscopia dei nanotubi, e ha portato al lavoro collaborativo di prova di principio che ha mostrato che potevamo misurare la deformazione del substrato sottostante controllando lo spettro del film in un unico punto, " Weisman ha detto. "Questo ha suggerito che il metodo potrebbe essere ampliato per misurare intere superfici. Quello che abbiamo mostrato ora è molto più vicino a quell'applicazione pratica".
Dal primo rapporto, i ricercatori hanno perfezionato la composizione e la preparazione del film e la sua applicazione in stile aerografo, e ha anche sviluppato dispositivi scanner che acquisiscono automaticamente i dati da più punti programmati. A differenza dei sensori convenzionali che misurano la deformazione solo in un punto lungo un asse, la pellicola intelligente può essere sondata selettivamente per rivelare la deformazione in qualsiasi direzione e posizione.
“Smart skin” in grado di rilevare deformazioni nei materiali, inventato alla Rice University, inizia con i nanotubi di carbonio e la loro capacità unica di modificare la loro fluorescenza sotto stress. Quando attaccato a una superficie, possono essere utilizzati per monitorare lo stress nel tempo attraverso la spettroscopia. Credito:Satish Nagarajaiah Group/Weisman Research Group/Rice University
Il film a due strati ha uno spessore di pochi micron, una frazione della larghezza di un capello umano, e appena visibile su una superficie trasparente. "Nei nostri film iniziali, i sensori a nanotubi sono stati miscelati nel polimero, " Nagarajaiah ha detto. "Ora che abbiamo separato gli strati sensoriali e protettivi, l'emissione di nanotubi è più chiara e possiamo eseguire la scansione a una risoluzione molto più alta. Ciò ci consente di acquisire quantità significative di dati piuttosto rapidamente".
I ricercatori hanno testato la pelle intelligente su barre di alluminio sotto tensione con un foro o una tacca per rappresentare i punti in cui la tensione tende ad accumularsi. Misurare questi potenziali punti deboli nel loro stato non sollecitato e poi di nuovo dopo aver applicato lo stress ha mostrato cambiamenti drammatici nei modelli di deformazione messi insieme dalla mappatura della superficie punto per punto.
"Sappiamo dove sono le regioni ad alto stress della struttura, i potenziali punti di guasto, " Nagarajaiah ha detto. "Possiamo rivestire quelle regioni con la pellicola e scansionarle in uno stato sano, e poi dopo un evento come un terremoto, tornare indietro e ripetere la scansione per vedere se la distribuzione della deformazione è cambiata e se la struttura è a rischio".
Nei loro test, i ricercatori hanno affermato che i risultati misurati erano una stretta corrispondenza con i modelli di deformazione ottenuti attraverso simulazioni computazionali avanzate. Le letture della pelle intelligente hanno permesso loro di individuare rapidamente modelli distintivi vicino alle regioni ad alto stress, ha detto Nagarajaiah. Sono stati anche in grado di vedere confini chiari tra le regioni di trazione e compressione.
"Abbiamo misurato punti a 1 millimetro di distanza, ma possiamo andare 20 volte più piccoli quando necessario senza sacrificare la sensibilità allo sforzo, " ha detto Weisman. Questo è un salto rispetto ai sensori di deformazione standard, che forniscono solo letture mediate su diversi millimetri, Egli ha detto.
I ricercatori vedono la loro tecnologia fare le prime incursioni in applicazioni di nicchia, come testare le turbine nei motori a reazione o gli elementi strutturali nelle loro fasi di sviluppo. "Non sostituirà subito tutte le tecnologie esistenti per la misurazione della deformazione, " Weisman ha detto. "Le tecnologie tendono ad essere molto radicate e hanno molta inerzia.
"Ma ha vantaggi che si riveleranno utili quando altri metodi non possono fare il lavoro, " ha detto. "Mi aspetto che troverà impiego nelle applicazioni di ricerca ingegneristica, e nella progettazione e collaudo delle strutture prima che vengano impiegate sul campo."
Con la loro pelle intelligente raffinata, i ricercatori stanno lavorando allo sviluppo della prossima generazione di lettori di ceppi, un dispositivo simile a una fotocamera in grado di catturare contemporaneamente i modelli di deformazione su un'ampia superficie.
I coautori di entrambi i documenti sono i ricercatori pre-dottorato di Rice Peng Sun e Ching-Wei Lin e il ricercatore Sergei Bachilo. Weisman è professore di chimica e di scienza dei materiali e nanoingegneria. Nagarajaiah è un professore di ingegneria civile e ambientale, di ingegneria meccanica, e della scienza dei materiali e della nanoingegneria.
