Graças a uma característica peculiar dos nanotubos de carbono, em breve os engenheiros poderão medir a deformação acumulada em um avião, uma ponte ou um oleoduto - ou quase qualquer coisa - sobre toda a superfície ou até níveis microscópicos.

Eles farão isso iluminando as estruturas revestidas com um filme de nanotubo de duas camadas e um polímero protetor. A tensão na superfície aparecerá como mudanças nos comprimentos de onda da luz infravermelha emitida pelo filme e capturada por um leitor portátil miniaturizado. Os resultados mostrarão aos engenheiros e equipes de manutenção se estruturas como pontes ou aeronaves foram deformadas por eventos indutores de estresse ou desgaste normal.

Como uma camisa branca sob uma luz ultravioleta, nanotubos de carbono de parede única fluorescem, uma propriedade descoberta em 2002 no laboratório do químico do arroz Bruce Weisman. Em um projeto de pesquisa básica, alguns anos depois, o grupo mostrou que esticar um nanotubo muda a cor de sua fluorescência.

Quando os resultados de Weisman chamaram a atenção do engenheiro civil e ambiental de Rice, Satish Nagarajaiah, que trabalhava independentemente em ideias semelhantes usando a espectroscopia Raman, mas na escala macro, desde 2003 - ele sugeriu colaborar para transformar esse fenômeno científico em uma tecnologia útil para detecção de deformação.

Agora, Nagarajaiah e Weisman e publicaram dois artigos importantes sobre seu projeto de "pele inteligente". O primeiro aparece em Structural Control &Health Monitoring, e apresenta a mais recente iteração da tecnologia que eles revelaram pela primeira vez em 2012.

Ele descreve um método para depositar o filme microscópico de detecção de nanotubos separadamente de uma camada superior protetora. Mudanças de cor na emissão de nanotubos indicam a quantidade de tensão na estrutura subjacente. Os pesquisadores dizem que permite o mapeamento bidimensional da tensão acumulada que não pode ser obtida por qualquer outro método sem contato.

O segundo artigo, no Journal of Structural Engineering, detalha os resultados do teste de pele inteligente em espécimes de metal com irregularidades onde o estresse e a deformação costumam estar concentrados.

"O projeto começou como ciência pura sobre espectroscopia de nanotubos, e levou ao trabalho colaborativo de prova de princípio que mostrou que poderíamos medir a deformação do substrato subjacente verificando o espectro do filme em um só lugar, "Weisman disse." Isso sugere que o método pode ser expandido para medir superfícies inteiras. O que mostramos agora está muito mais próximo dessa aplicação prática. "

Desde o relatório inicial, os pesquisadores refinaram a composição e preparação do filme e sua aplicação no estilo aerógrafo, e também desenvolveu dispositivos de scanner que capturam dados automaticamente de vários pontos programados. Ao contrário dos sensores convencionais que medem apenas a deformação em um ponto ao longo de um eixo, o filme inteligente pode ser sondado seletivamente para revelar a tensão em qualquer direção e local.

O filme de duas camadas tem apenas alguns mícrons de espessura, uma fração da largura de um cabelo humano, e pouco visível em uma superfície transparente. "Em nossos filmes iniciais, os sensores de nanotubos foram misturados ao polímero, "Disse Nagarajaiah." Agora que separamos as camadas sensoriais e protetoras, a emissão de nanotubos é mais clara e podemos digitalizar em uma resolução muito maior. Isso nos permite capturar quantidades significativas de dados com bastante rapidez. "

Os pesquisadores testaram a pele inteligente em barras de alumínio sob tensão com um orifício ou entalhe para representar os locais onde a tensão tende a se formar. Medir esses pontos fracos potenciais em seu estado não estressado e, novamente, depois de aplicar a tensão, mostrou mudanças dramáticas nos padrões de deformação reunidos a partir do mapeamento de superfície ponto a ponto.

"Nós sabemos onde estão as regiões de alta tensão da estrutura, os pontos potenciais de falha, "Disse Nagarajaiah." Podemos revestir essas regiões com o filme e digitalizá-las no estado saudável, e depois de um evento como um terremoto, volte e examine novamente para ver se a distribuição da cepa mudou e se a estrutura está em risco. "

Em seus testes, os pesquisadores disseram que os resultados medidos foram semelhantes aos padrões de deformação obtidos por meio de simulações computacionais avançadas. As leituras do smart skin permitiram que eles identificassem rapidamente padrões distintos perto das regiões de alto estresse, Disse Nagarajaiah. Eles também foram capazes de ver limites claros entre as regiões de tração e compressão.

"Medimos pontos separados por 1 milímetro, mas podemos ficar 20 vezes menores quando necessário, sem sacrificar a sensibilidade à deformação, "Weisman disse. Isso é um salto sobre os sensores de deformação padrão, que fornecem apenas leituras médias de vários milímetros, ele disse.

Os pesquisadores veem sua tecnologia fazendo incursões iniciais em aplicações de nicho, como testar turbinas em motores a jato ou elementos estruturais em seus estágios de desenvolvimento. "Não vai substituir todas as tecnologias existentes para medição de deformação imediatamente, "Weisman disse." As tecnologias tendem a ser muito entrincheiradas e ter muita inércia.

"Mas tem vantagens que serão úteis quando outros métodos não conseguirem fazer o trabalho, "disse ele." Espero que encontre uso em aplicações de pesquisa de engenharia, e no projeto e teste de estruturas antes de serem implantadas no campo. "

Com sua pele inteligente refinada, os pesquisadores estão trabalhando para desenvolver a próxima geração do leitor de tensão, um dispositivo semelhante a uma câmera que pode capturar padrões de tensão em uma grande superfície de uma só vez.

Os co-autores de ambos os artigos são os pesquisadores pré-doutorados do Rice, Peng Sun e Ching-Wei Lin, e o cientista pesquisador Sergei Bachilo. Weisman é professor de química, ciência dos materiais e nanoengenharia. Nagarajaiah é professor de engenharia civil e ambiental, da engenharia mecânica, e de ciência de materiais e nanoengenharia.