Os "materiais do anel de humor" podem desempenhar um papel importante na minimização e mitigação dos danos à infraestrutura deficiente do país.

A Sociedade Americana de Engenheiros Civis estimou que mais de US $ 3,6 trilhões em investimentos são necessários até 2020 para reabilitar e modernizar a infraestrutura deficiente do país. O presidente eleito Donald Trump prometeu estabelecer um programa de melhoria de infraestrutura de US $ 1 trilhão quando assumir o cargo.

Um elemento importante em qualquer esforço de modernização será o desenvolvimento de métodos novos e aprimorados para detectar danos nessas estruturas antes que se tornem críticos. É aí que entram os "materiais para anéis de humor".

Polvilhe um pó mágico de nanopartículas em um lote de resina de polímero transparente e você obterá "um material inteligente que muda de cor quando está danificado ou prestes a falhar, o que chamo de 'material de toque de humor, '"explicou Cole Brubaker, um estudante de doutorado em engenharia civil que faz parte de uma equipe de pesquisa interdisciplinar no Laboratório de Integridade e Confiabilidade de Sistemas da Universidade Vanderbilt (LASIR), desenvolvendo o novo sistema de detecção.

As tecnologias de detecção inteligente são um dos novos campos em alta na área civil, engenharia mecânica e aeroespacial. Esses esforços geralmente se concentram no desenvolvimento de redes de sensores físicos que são anexados a estruturas de interesse. Contudo, esta abordagem tem sido prejudicada por altos custos, bem como requisitos de energia e processamento de dados.

Os pesquisadores do LASIR estão tomando um rumo diferente ao incorporar nanopartículas fluorescentes ao próprio material que reagem ao estresse alterando suas propriedades ópticas, a fim de criar um novo tipo de sistema de detecção que pode monitorar essas estruturas de maneira eficiente e econômica.

"Atualmente, existem duas maneiras de manter tudo seguro, desde pontes a aeronaves, "disse o Diretor do LASIR, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Professor de engenharia civil e ambiental. "Uma é mandar as pessoas olharem para eles com uma lanterna. O problema com isso é que exige muito trabalho e as pessoas não conseguem ver pequenas rachaduras quando elas se formam. A outra é instalar redes elaboradas de sensores que constantemente procure pequenas fissuras e detecte-as antes que cresçam muito. O problema é que essas redes são muito caras e, no caso de aeronaves, adicione muito peso. "Portanto, precisamos mudar de alguma forma os materiais que estamos usando para que iluminem essas pequenas rachaduras."

Os estudos iniciais da equipe, publicado no último mês de abril nos Anais da Conferência SPIE sobre Sensores e Tecnologias de Estruturas Inteligentes para o Civil, Sistemas Mecânicos e Aeroespaciais, determinaram que adicionar uma pequena concentração de nanopartículas especiais (1 a 5 por cento em peso) a uma matriz de polímero opticamente transparente produz uma assinatura de luz distinta que muda conforme o material é submetido a uma ampla gama de cargas de compressão e tração.

O grupo Vanderbilt não é a única equipe de pesquisa usando nanopartículas para criar materiais inteligentes, mas eles têm uma vantagem especial. Eles estão usando um tipo específico de nanopartícula chamado ponto quântico de luz branca. Esses pontos quânticos são únicos porque emitem luz branca, enquanto outros pontos quânticos emitem apenas luz em comprimentos de onda específicos.

Esses pontos quânticos especiais foram descobertos acidentalmente em 2005 no laboratório de Sandra Rosenthal, Jack e Pamela Egan Professores de Química na Vanderbilt. "Estávamos tentando fazer os menores pontos quânticos de seleneto de cádmio possíveis e, quando nós fizemos, ficamos surpresos ao descobrir que eles emitem em um amplo espectro, "ela lembrou.

"Os pontos quânticos de luz branca têm propriedades ópticas únicas em comparação com outras nanopartículas, "disse Talitha Frecker, um estudante de graduação em química que está participando do estudo. "A fluorescência da luz branca é um fenômeno de superfície."

Avance rapidamente para 2013, quando Adams mudou para Vanderbilt. Quando ele soube da descoberta de Rosenthal, ele percebeu que os pontos quânticos dela foram feitos sob medida para a criação de materiais inteligentes:"Quando colocamos essas nanopartículas em um material, eles observam e reagem ao que está acontecendo ao seu redor. "

Agora, a expectativa de Adam foi confirmada pela série de testes preliminares que Brubaker e seus colegas conduziram. Eles têm tiras de fibra de vidro e alumínio revestidas com um revestimento de polímero contendo pontos quânticos de luz branca e os submetem a vários graus de carga externa. Eles determinaram que a intensidade do espectro de emissão produzido pelos pontos quânticos diminui à medida que a carga aumenta. A queda é maior com o carregamento inicial e diminui gradualmente em níveis mais elevados de carga.

"O mecanismo ainda é um pouco obscuro, mas demonstramos que aprisionar esses pontos quânticos em filmes de polímero ultrafinos em superfícies de metal pode fornecer um aviso prévio quando o metal subjacente está prestes a sofrer danos físicos ou químicos, "disse o Professor de Engenharia Química e Biomolecular Kane Jennings, que participa do projeto junto com o doutorando Ian Njoroge.

Os pesquisadores teorizam que os pontos quânticos emitem luz em um amplo espectro porque mais de 80% dos átomos estão na superfície. Eles também sabem que as ligações entre os átomos da superfície e as moléculas que os rodeiam desempenham um papel crítico.

"O resultado final é que a força das emissões de pontos quânticos nos dá um registro permanente do nível de estresse que um material experimentou, "disse Brubaker.

Desta forma, os pesquisadores verificaram que o material pode atuar como um novo tipo de medidor de tensão que registra permanentemente a quantidade cumulativa de tensão que o material ao qual é aplicado experimenta.

Em seus experimentos iniciais, os engenheiros mantiveram as cargas relativamente modestas, abaixo de 1, 250 libras, bem dentro dos limites elásticos que os materiais podem suportar sem danos permanentes. Isso forneceu a eles uma linha de base que eles podem usar para comparar os resultados obtidos à medida que se movem para cargas mais altas que fazem com que os materiais comecem a falhar.

Os pesquisadores sabem que as coisas ficarão mais complicadas à medida que aumentam as tensões que estão aplicando.

Por exemplo, em um conjunto de testes que executaram com cilindros de epóxi, que se deformou em forma de barril sob compressão, eles descobriram que o espectro de emissão realmente aumentou, em vez de diminuir. Eles levantaram a hipótese de que esse aumento na emissão ocorreu porque a deformação realmente comprimiu as nanopartículas mais próximas umas das outras, então havia mais delas dentro da pequena área onde estavam medindo a emissão.

Os pesquisadores já encontraram uma dessas complicações quando testaram amostras de fibra de vidro revestidas de superfície. Quando essas amostras foram carregadas sob tensão de tração, o espectro de emissões diminuiu tanto quanto com as amostras de alumínio até que a carga atingiu cerca de 350 libras. Mas então começou a subir.

Pelas estalos e rachaduras provenientes das amostras, eles perceberam que este era o ponto em que fibras individuais na amostra começaram a se quebrar. Eles levantaram a hipótese de que a emissão aumentou porque os pontos quânticos que antes estavam ocultos na matriz de fibra de vidro foram expostos quando as fibras começaram a falhar. Isso novamente aumentou o número de pontos quânticos dentro de uma determinada área, fazendo com que o nível geral de emissão aumente.

A equipe LASIR também percebe que há outro problema que eles terão que resolver para fazer um sistema prático de detecção de danos. Os pontos quânticos sofrem de foto-branqueamento. Isso é, quando são expostos à luz, perdem gradualmente sua fluorescência com o tempo. Como resultado, o material deve ser protegido da luz externa.

"Temos muito que aprender antes de criar um material inteligente que esteja pronto para aplicações no mundo real, mas todos os sinais são positivos, "disse Adams." Alguns de nossos parceiros comerciais estão muito interessados, então há uma boa chance de que seja adotado se funcionar tão bem quanto pensamos que será. "