Naukowcy z Rice University stworzyli nowy rodzaj farb na bazie nanorurek węglowych, który może służyć do detekcji naprężeń w elementach budowlanych, samolotach czy statkach kosmicznych.
fot. greekgod (rgbstock.com)
Nowa technologia pozwala wykryć deformacje materiału na długo przed tym, jak zaczynają być widoczne gołym okiem. Do tego detekcja jest bezdotykowa – wystarczy laser i mały spektrometr podczerwieni – a pomiaru dokonać można w dowolnym kierunku i dowolnym punkcie elementu. Decyduje to o przewadze tego rozwiązania nad obecnie stosowanymi czujnikami, które muszą być fizycznie połączone z przyrządami odczytowymi i umożliwiają pomiar tylko w określonych miejscach.
Profesor z Rice University, Bruce Weisman, odkrył fluorescencyjne właściwości nanorurek węglowych w 2002 roku i od tamtej pory pracował nad przyrządami optycznymi umożliwiającymi badanie nanorurek. Zaś Satish Nagarajaiah, profesor inżynierii lądowej i środowiskowej oraz inżynierii mechanicznej i materiałoznawstwa z Rice University, w roku 2004 opracował wraz ze swym zespołem czujnik naprężeń wykorzystujący właściwości elektryczne nanofilmów węglowych (gęstych sieci nanorurek).
Pomysł wspólnego projektu dotyczącego detekcji naprężeń na podstawie odkształceń nanorurek węglowych zrodził się w roku 2010, podczas warsztatów w NASA, w których obydwaj naukowcy wzięli udział. Weisman podjął wówczas kwestię hipotetycznego systemu wykorzystującego lasery do detekcji naprężeń w pokrytych nano-farbą skrzydłach promów kosmicznych. Nagarajaiah zaproponował, aby wcielić ten pomysł w życie.
Zjawisko, na którym bazuje wynalazek profesorów z Rice University, to duże, przewidywalne przesunięcia długości fali w kierunku podczerwieni wykazywane przez stymulowane laserem nanorurki węglowe poddane rozciąganiu lub ściskaniu. Jeśli farba naniesiona jest na jakiś element, to jej warstwa – a więc i każda nanorurka, 50 tysięcy razy cieńsza od ludzkiego włosa – podlega takim samym naprężeniom jak podłoże, na którym tworzy powłokę, i może dać jasny obraz tego, co dzieje się „pod spodem”.
Dzięki temu, że laser można skierować na którykolwiek punkt badanego obiektu, detekcja naprężeń jest bezdotykowa i można jej dokonać w różnych warunkach. Umożliwia to stworzenie dokładnej mapy naprężeń całego elementu. Ponadto, jak przekonuje profesor Nagarajaiah, nowe farby mogą również przynosić inne korzyści – np. chronić przed korozją lub poprawiać wytrzymałość pokrywanego nimi materiału.
Weisman zapowiedział jednak, że przed wprowadzeniem na rynek produkt wymaga jeszcze dalszych badań. Konieczna jest optymalizacja składu farby i jej procedury przygotowania, a także ustalenie najlepszej metody nanoszenia na podłoże. „Są jeszcze subtelności związane z oddziaływaniem między nanorurkami, polimerowym nośnikiem oraz podłożem, które mogą wpływać na stabilność przesunięcia widmowego promieniowania. W praktyce są to bardzo istotne kwestie” – mówi profesor.
Wszystko to nie są jednak problemy nie do przeskoczenia, podobnie jak kwestia podręcznego detektora optycznego. Obecnie dostępne są już kompaktowe, zasilane bateriami spektrometry podczerwieni, a także miniaturowe lasery i przyrządy optyczne. Nie ma więc konieczności opracowywania nowych technologii, wszystko to tylko kwestia połączenia już dostępnych komponentów.
Praca dotycząca farb służących do detekcji naprężeń opublikowana została w czerwcu bieżącego roku w czasopiśmie Nano Letters należącym do American Chemical Society.
źródło: Rice University
