Una pelle intelligente a tre strati su una struttura può rilevare la deformazione attraverso la fluorescenza dei nanotubi di carbonio incorporati, secondo i suoi inventori alla Rice University. La pelle può essere verniciata o spruzzata su edifici, ponti, aerei e navi per fornire un modo senza contatto per monitorare la salute strutturale di una struttura. Credito:Nagarajaiah e Weisman Research Groups / Rice University
Una pelle intelligente sensibile alla deformazione sviluppata presso la Rice University che utilizza strutture molto piccole, nanotubi di carbonio, per monitorare e rilevare i danni in strutture di grandi dimensioni è pronta per la prima serata.
La "vernice di deformazione" rivelata per la prima volta da Rice nel 2012 utilizza le proprietà fluorescenti dei nanotubi per mostrare quando una superficie è stata deformata dallo stress.
Sviluppato ora come parte di un sistema di monitoraggio ottico senza contatto noto come S4, il rivestimento multistrato può essere applicato a grandi superfici (ponti, edifici, navi e aeroplani, tanto per cominciare) dove un'elevata sollecitazione rappresenta una minaccia invisibile.
Il progetto guidato dal chimico della Rice Bruce Weisman, dall'ingegnere strutturale Satish Nagarajaiah e dall'autore principale e studente laureato Wei Meng nasce dalla scoperta del 2002 di Weisman che i nanotubi di carbonio semiconduttori emettono fluorescenza a lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Successivamente ha sviluppato strumenti ottici per esplorare le proprietà fisiche e chimiche dei nanotubi, inclusi gli effetti di deformazione spettroscopica, nel 2008.
Un confronto delle misurazioni su un acrilico sotto sforzo mostra che il sistema S4 della Rice University, a sinistra, fornisce una lettura più dettagliata rispetto alla correlazione dell'immagine digitale (DIC) standard a destra. Credito:Nagarajaiah e Weisman Research Groups / Rice University
Indipendentemente nel 2004, Nagarajaiah ha proposto e sviluppato un sensore di deformazione ottico senza contatto utilizzando pellicole di nanotubi di carbonio legate a elementi strutturali con resina epossidica e sondate con spettroscopia Raman.
I loro percorsi di ricerca indipendenti si sono fusi in un progetto comune nel 2008, quando Weisman e Nagarajaiah hanno scoperto che i nanotubi di carbonio a parete singola incorporati in un polimero e legati a un membro strutturale subiranno lo stesso sforzo e possono segnalarlo otticamente attraverso spostamenti spettrali nel loro vicino infrarosso fluorescenza. Hanno riferito quella scoperta in un documento del 2012.
"Le misurazioni della deformazione vengono spesso effettuate nell'ambito delle ispezioni relative alla sicurezza", ha affermato Weisman. "Quella comunità tecnica è giustamente conservatrice, perché le loro misurazioni devono essere affidabili. Quindi dobbiamo superare lo scetticismo sui nuovi metodi dimostrando che il nostro è valido quanto quelli consolidati.
"Questo documento presenta le credenziali del nostro metodo come una seria tecnologia di misurazione della deformazione", ha affermato.
I dettagli del sistema senza contatto di nuova generazione vengono visualizzati in Rapporti scientifici.
La mappatura della deformazione si è basata su due tecnologie:indicatori fisici collegati alle strutture e correlazione delle immagini digitali (DIC), utilizzata per confrontare le immagini acquisite nel tempo di superfici con "macchietti" incorporati.
Un laboratorio della Rice University testa il materiale ricoperto da una pelle intelligente sensibile alla deformazione. Il rivestimento multistrato contiene nanotubi di carbonio che emettono fluorescenza quando sotto sforzo, eguagliando la deformazione subita dal materiale sottostante. Credito:Jeff Fitlow / Rice University
Weisman ha detto che S4 resiste facilmente a DIC. Meglio ancora, le due tecniche possono lavorare insieme. "Volevamo fare un confronto diretto con DIC, che è l'unico metodo di mappatura commercializzato per il ceppo", ha affermato. "È utilizzato in numerosi settori e le persone hanno un livello di fiducia abbastanza elevato in esso.
"Per dimostrare che il nostro metodo può stare fianco a fianco con esso e ottenere risultati simili o migliori, Wei ha ideato un metodo per incorporare S4 e DIC in modo che entrambe le tecniche possano essere utilizzate contemporaneamente e persino completarsi a vicenda", ha affermato Weisman.
La pelle stessa ha tre strati, la loro configurazione è orientata alla superficie che ricoprono. In genere, viene prima dipinto un primer opaco contenente le macchie DIC. Il secondo strato è un poliuretano trasparente che isola la base dai nanotubi. Infine, viene spruzzato sopra lo strato sensibile di nanotubi rivestiti singolarmente, sospesi in toluene. Il toluene evapora, lasciando uno strato sensibile di nanotubi di spessore inferiore al micron legato all'elemento strutturale. Un ulteriore strato protettivo può essere applicato sulla parte superiore per mantenere la pelle attiva per anni.
Il sistema richiede anche un lettore, in questo caso un piccolo laser visibile per eccitare i nanotubi e uno spettrometro portatile per vedere come sono tesi.
Meng ha confrontato attentamente S4 sia con DIC che con simulazioni al computer nei test su barre acriliche a forma di I con un foro o un ritaglio e su blocchi di cemento e lastre di alluminio con fori per mettere a fuoco i modelli di deformazione. In ogni caso, S4 ha fornito una visualizzazione accurata e ad alta risoluzione dei campioni stressati che era paragonabile o migliore rispetto ai risultati DIC simultanei.
La misurazione del calcestruzzo rappresentava una sfida ottica. "Abbiamo scoperto che il cemento nel calcestruzzo ha un'emissione intrinseca nel vicino infrarosso che interferiva con le nostre misurazioni della deformazione", ha detto Nagarajaiah. "Wei ha trascorso un'enorme quantità di tempo, soprattutto durante la pandemia, lavorando attentamente su una nuova architettura per bloccare quei segnali."
Piuttosto che il solito strato di base bianco, una base nera che contiene anche le macchioline serviva allo scopo, ha detto.
"C'è un ulteriore vantaggio di S4 rispetto a DIC che non avevamo apprezzato fino a poco tempo", ha affermato Weisman. "Questo è il fatto che per ottenere buoni risultati dal DIC è necessario un alto livello di competenza da parte dell'operatore. Le aziende ci dicono che solo i loro ingegneri sono qualificati per usarlo. È semplice prendere i dati, ma l'interpretazione richiede molto di giudizio.
"Il nostro metodo è molto diverso", ha detto. "È quasi altrettanto facile acquisire i dati, ma l'analisi per ottenere la mappa delle deformazioni S4 è automatica. A lungo termine, questo sarà un vantaggio."
"Non ho dubbi sul fatto che questo sia un metodo di mappatura dei ceppi all'avanguardia", ha detto Nagarajaiah. "L'abbiamo testato su elementi strutturali in metallo, plastica e cemento con microfessure complesse e danni al sottosuolo, e funziona in tutti i casi. Credo che abbiamo raggiunto la fase in cui è pronto per l'implementazione e ci stiamo impegnando con l'industria per scoprire come può aiutarli."
Lo studente laureato Wei Meng lavora su un banco di prova in un laboratorio della Rice University, convalidando le misurazioni della deformazione in una varietà di materiali con una pelle intelligente sensibile alla deformazione. Credito:Jeff Fitlow / Rice University
Il ricercatore della Rice Sergei Bachilo e lo studente laureato Ashish Pal sono coautori dello studio. Weisman è professore di chimica e di scienza dei materiali e nanoingegneria. Nagarajaiah è professore di ingegneria civile e ambientale, di scienza dei materiali e nanoingegneria e di ingegneria meccanica. + Esplora ulteriormente
