211service.com
Guma emitująca światło może wykrywać uszkodzenia strukturalne
Naukowcy z Princeton University zbudowali nowy typ czujnika, który może pomóc inżynierom szybko ocenić stan budynku lub mostu. Czujnik jest organicznym laserem, osadzonym na gumowej warstwie: kiedy jest rozciągany – na przykład przez powstanie pęknięcia – zmienia się kolor emitowanego przez niego światła.
Pomysł wziął się z założenia, że być może można pokryć duże konstrukcje, takie jak mosty, powłoką, której można użyć do wykrywania deformacji konstrukcji na odległość, mówi Sigurd Wagner , profesor inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Princeton, który opracował rozciągliwy czujnik laserowy wraz z Patrickiem Görrnem, badaczem z Princeton. Praca została opublikowana w zeszłym miesiącu w Zaawansowane materiały .
Przez ponad dekadę naukowcy badali sposoby tworzenia gęstych macierzy czujników zdolnych do pokrycia dużych obszarów. Wykrywanie skór jest szczególnie intrygujące dla inżynierów budownictwa lądowego, którzy wiedzą, jak ważne jest wykrywanie uszkodzeń infrastruktury, aby uniknąć katastrof, takich jak zawalenie się mostu w Minneapolis w 2007 roku. Mówi się, że naprawdę istnieje krytyczna potrzeba opracowania lepszych czujników, które można zastosować w systemach infrastruktury Jerome Lynch , profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Michigan.
Tradycyjne czujniki naprężeń po prostu mierzą naprężenie wzdłuż określonej linii. Jednym z takich czujników jest przewód, który zmienia rezystywność, gdy jest obciążony. Innym rodzajem jest światłowód, który wskazuje naprężenie, gdy światło wstrzykiwane na jednym końcu jest rozpraszane przez defekt w konstrukcji. Ale problem polega na tym, że uszkodzenie występuje między czujnikami — jest to trudne do wykrycia, mówi Branko Glisic , profesor inżynierii lądowej i środowiskowej w Princeton, który nie był bezpośrednio zaangażowany w projekt.
Rozciągliwy laser może rozwiązać ten problem, pokrywając większy obszar niż przewody lub światłowody. Do wykonania urządzenia specjalnie przygotowano arkusz rozciągliwego materiału zwanego polidimetylosiloksanem (PDMS) tak, aby miał pofalowaną powierzchnię. Następnie naukowcy wirowali płynną mieszaninę cząsteczek organicznych na falistej powierzchni. Kiedy laser ultrafioletowy pada na warstwę organiczną (metoda zasilania lasera zwana pompowaniem optycznym), stymuluje emisję fotonów z cząsteczek organicznych. Laserowanie występuje, ponieważ pofalowana powierzchnia działa jak siatka dyfrakcyjna, odbijając światło między falami, skutecznie wzmacniając sygnał.
Cząsteczki zwykle emitują widoczne czerwone światło, ale gdy gumowa powierzchnia jest rozciągana lub ściskana, zmienia kolor emitowanego światła. Rozciągając gumę o 2,2% jej długości, naukowcy mogli zmienić kolor światła. Detektor światła zauważyłby różnicę około pięciu nanometrów między początkową i końcową długością fali emitowanego światła. Może to korelować z niewielkimi zmianami naprężenia w konstrukcji, wyjaśnia Wagner. Jest bardzo wrażliwy i to jest zaleta, mówi. W wielu przypadkach inżynierowie budowlani lub budowlani chcieliby widzieć rozpoczynającą się awarię, a nie widoczne pęknięcie; i chcieliby mieć czujnik zdolny do tak czułego pomiaru.
Optyczne pompowanie rozciągliwej skóry laserowej może być zaletą systemu. Mógłby obniżyć koszty instalacji, ponieważ nie wymagałby przewodów. Oznaczałoby to również, że inżynier mógłby stanąć w pewnej odległości od konstrukcji i skierować światło ultrafioletowe na powierzchnię wykrywającej skóry, aby wykryć drobne zmiany w naprężeniu.
Koncepcja ta może wypełnić krytyczną niszę w zakresie zdrowia strukturalnego, mówi Lynch. Podejście wydaje się nowatorskie i interesujące, jakie wyniki może przynieść technologia, gdy zostanie wdrożona w prawdziwym świecie. Lynch opracowuje powłoki do wykrywania dużych powierzchni, które opierają się na warstwach nanorurek węglowych i innych molekułach organicznych do wykrywania między innymi naprężeń, pęknięć i korozji.
Wagner mówi, że jego prototyp wciąż wymaga dopracowania. Podczas gdy arkusze PDMS mogą rozciągać się na dużą odległość, warstwy organiczne znikają, gdy są zbytnio rozciągnięte. Rozwiązanie tego problemu prawdopodobnie sprowadzi się do przetestowania różnych typów cząsteczek emitujących światło i znalezienia sposobu na lepsze przymocowanie ich do PDMS. Wiemy, jakie eksperymenty należy przeprowadzić, mówi. Po prostu nie znaleźliśmy jeszcze magicznego przepisu.