Uma pele inteligente de três camadas em uma estrutura pode detectar tensão através da fluorescência de nanotubos de carbono incorporados, de acordo com seus inventores da Rice University. A pele pode ser pintada ou pulverizada em edifícios, pontes, aeronaves e navios para fornecer uma maneira sem contato de monitorar a saúde estrutural de uma estrutura. Crédito:Nagarajaiah and Weisman Research Groups / Rice University
Uma pele inteligente com detecção de tensão desenvolvida na Rice University que usa estruturas muito pequenas, nanotubos de carbono, para monitorar e detectar danos em grandes estruturas está pronta para o horário nobre.
A "pintura de tensão" revelada pela primeira vez por Rice em 2012 usa as propriedades fluorescentes dos nanotubos para mostrar quando uma superfície foi deformada pelo estresse.
Agora desenvolvido como parte de um sistema de monitoramento óptico sem contato conhecido como S4, o revestimento multicamadas pode ser aplicado a grandes superfícies – pontes, edifícios, navios e aviões, para iniciantes – onde a alta tensão representa uma ameaça invisível.
O projeto liderado pelo químico de arroz Bruce Weisman, engenheiro estrutural Satish Nagarajaiah e autor principal e estudante de pós-graduação Wei Meng nasce da descoberta de 2002 por Weisman que nanotubos de carbono semicondutores fluorescem em comprimentos de onda do infravermelho próximo. Ele posteriormente desenvolveu instrumentos ópticos para explorar as propriedades físicas e químicas dos nanotubos, incluindo efeitos de tensão espectroscópica, em 2008.
Uma comparação das medições em um acrílico sob tensão mostra que o sistema S4 da Rice University, à esquerda, fornece uma leitura mais detalhada do que a correlação de imagem digital padrão (DIC) à direita. Crédito:Nagarajaiah and Weisman Research Groups / Rice University
Independentemente, em 2004, Nagarajaiah propôs e desenvolveu um sensor óptico de deformação sem contato usando filmes de nanotubos de carbono ligados a membros estruturais com epóxi e sondados com espectroscopia Raman.
Seus caminhos de pesquisa independentes se fundiram em um projeto comum em 2008, quando Weisman e Nagarajaiah descobriram que nanotubos de carbono de parede simples incorporados em um polímero e ligados a um membro estrutural experimentarão a mesma tensão e podem reportá-la opticamente por meio de mudanças espectrais em seu infravermelho próximo. fluorescência. Eles relataram essa descoberta em um artigo de 2012.
"As medições de deformação são frequentemente feitas como parte de inspeções relacionadas à segurança", disse Weisman. “Essa comunidade técnica é conservadora com razão, porque suas medições devem ser confiáveis. Por isso, precisamos superar o ceticismo sobre novos métodos provando que os nossos são tão válidos quanto os estabelecidos.
"Este artigo apresenta as credenciais do nosso método como uma tecnologia séria de medição de tensão", disse ele.
Os detalhes do sistema sem contato de última geração aparecem em
Relatórios Científicos. O mapeamento de deformação baseou-se em duas tecnologias:medidores físicos anexados a estruturas e correlação de imagem digital (DIC), usada para comparar imagens tiradas ao longo do tempo de superfícies com "manchas" incorporadas.
Um laboratório da Rice University testa material coberto com pele inteligente com sensor de tensão. O revestimento multicamada contém nanotubos de carbono que fluorescem quando sob tensão, combinando com a tensão experimentada pelo material por baixo. Crédito:Jeff Fitlow / Universidade Rice
Weisman disse que o S4 resiste facilmente ao DIC. Melhor ainda, as duas técnicas podem trabalhar juntas. "Queríamos fazer uma comparação direta com o DIC, que é o único método de mapeamento comercializado para estirpes que existe", disse ele. "É usado em vários setores e as pessoas têm um nível bastante alto de confiança nele.
"Para demonstrar que nosso método pode ficar lado a lado com ele e obter resultados semelhantes ou melhores, Wei desenvolveu um método para incorporar S4 e DIC para que ambas as técnicas possam ser usadas simultaneamente e até se complementarem", disse Weisman.
A própria pele tem três camadas, cuja configuração está voltada para a superfície que cobrem. Normalmente, um primer opaco contendo as manchas de DIC é pintado primeiro. A segunda camada é um poliuretano transparente que isola a base dos nanotubos. Finalmente, a camada sensora de nanotubos revestidos individualmente, suspensos em tolueno, é pulverizada no topo. O tolueno evapora, deixando uma camada sensível de nanotubos de espessura submicrométrica ligada ao membro estrutural. Uma camada protetora adicional pode ser aplicada por cima para manter a pele ativa por anos.
O sistema também requer um leitor, neste caso um pequeno laser visível para excitar os nanotubos e um espectrômetro portátil para ver como eles são tensionados.
Meng cuidadosamente comparou S4 com DIC e simulações de computador em testes em barras de acrílico em forma de I com um furo ou recorte, e em blocos de concreto e placas de alumínio com furos para focalizar os padrões de deformação. Em todos os casos, o S4 forneceu uma visão precisa e de alta resolução das amostras estressadas que foi comparável ou melhor do que os resultados simultâneos do DIC.
Medir o concreto representou um desafio óptico. "Descobrimos que o cimento no concreto tem emissão intrínseca no infravermelho próximo que estava interferindo em nossas medições de tensão", disse Nagarajaiah. “Wei passou muito tempo, especialmente durante a pandemia, trabalhando cuidadosamente em uma nova arquitetura para bloquear esses sinais”.
Em vez da camada de base branca usual, uma base preta que também contém as manchas serviu ao propósito, disse ele.
"Há uma vantagem adicional do S4 sobre o DIC que não tínhamos apreciado até recentemente", disse Weisman. "É o fato de que obter bons resultados do DIC exige um alto nível de especialização por parte do operador. As empresas nos dizem que apenas seus engenheiros estão habilitados para utilizá-lo. É simples pegar os dados, mas a interpretação exige muito de julgamento.
"Nosso método é bem diferente", disse ele. "É quase tão fácil obter os dados, mas a análise para obter o mapa de deformação S4 é automática. A longo prazo, isso será uma vantagem."
"Não tenho dúvidas de que este é um método de mapeamento de tensão de última geração", disse Nagarajaiah. "Testamos em membros estruturais feitos de metais, plásticos e concreto com microfissuras complexas e danos subsuperficiais, e funciona em todos os casos. Acredito que chegamos ao estágio em que está pronto para implementação e estamos nos envolvendo com a indústria para saber como ela pode ajudá-los."
O estudante de pós-graduação Wei Meng trabalha em um equipamento de teste em um laboratório da Rice University, validando medições de tensão em uma variedade de materiais com pele inteligente com sensor de tensão. Crédito:Jeff Fitlow / Universidade Rice
O cientista pesquisador de arroz Sergei Bachilo e o estudante de pós-graduação Ashish Pal são co-autores do estudo. Weisman é professor de química e de ciência dos materiais e nanoengenharia. Nagarajaiah é professor de engenharia civil e ambiental, de ciência dos materiais e nanoengenharia e de engenharia mecânica.
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