En illustration visar hur polariserat ljus från en laser och en nära-infraröd spektrometer kunde avläsa spänningsnivåer i ett material belagt med nanorörsinfunderad färg som uppfanns vid Rice University. (Kredit:Bruce Weisman/Rice University)
En ny typ av färg gjord med kolnanorör vid Rice University kan hjälpa till att upptäcka påfrestningar i byggnader, broar och flygplan.
Rice-forskarna kallar sin blandning för "strain paint" och hoppas att den kan hjälpa till att upptäcka deformationer i strukturer som flygplansvingar. Deras studie, publicerad online denna månad av tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver beskriver en kompositbeläggning de uppfann som kunde avläsas av en handhållen infraröd spektrometer.
Denna metod kan avgöra var ett material visar tecken på deformation långt innan effekterna blir synliga för blotta ögat, och utan att röra strukturen. Forskarna sa att detta ger en stor fördel jämfört med konventionella töjningsmätare, som måste vara fysiskt anslutna till sina avläsningsenheter. Dessutom, det nanorörsbaserade systemet kunde mäta töjningen var som helst och längs vilken riktning som helst.
Riskemiprofessorn Bruce Weisman ledde upptäckten och tolkningen av nära-infraröd fluorescens från halvledande kolnanorör 2002, och han har sedan dess utvecklat och använt ny optisk instrumentering för att utforska nanorörs fysikaliska och kemiska egenskaper.
Satish Nagarajaiah, en risprofessor i civil- och miljöteknik och i maskinteknik och materialvetenskap, och hans medarbetare ledde 2004 utvecklingen av töjningsavkänning för strukturell integritetsövervakning på makronivå med hjälp av de elektriska egenskaperna hos kolnanofilmer – täta nätverk/ensembler av nanorör. Sedan dess har han fortsatt att undersöka nya töjningsavkänningsmetoder med olika nanomaterial.
Men det var en lyckoträff att Weisman och Nagarajaiah deltog i samma NASA-workshop 2010. Där, Weisman höll ett föredrag om nanorörsfluorescens. Som en fantasiflykt, han sa, han inkluderade en illustration av ett hypotetiskt system som skulle använda laser för att avslöja spänningar i den nanobelagda vingen på en rymdfärja.
"Jag gick fram till honom efteråt och sa:'Bruce, vet du att vi faktiskt kan försöka se om det här fungerar?'" mindes Nagarajaiah.
Nanorörsfluorescens visar stor, förutsägbar våglängdsförskjutning när rören deformeras av spänning eller kompression. Färgen - och därför varje nanorör, ca 50, 000 gånger tunnare än ett människohår -- skulle utsättas för samma belastning som ytan det är målat på och ge en tydlig bild av vad som händer under.
"För ett flygplan, Tekniker använder vanligtvis konventionella töjningsmätare på specifika platser på vingen och utsätter den för tvångsvibrationstestning för att se hur den beter sig, " Nagarajaiah sa. "De kan bara göra detta på marken och kan bara mäta en del av en vinge i specifika riktningar och platser där töjningsmätarna är anslutna. Men med vår beröringsfria teknik, de kunde rikta lasern var som helst på vingen och få en töjningskarta längs vilken riktning som helst."
Rice University Professor Bruce Weisman introducerade idén med stamfärg för att hitta svagheter i material med denna bild från en presentation för NASA 2010. (Kredit:Bruce Weisman/Rice University)
Han sa att stamfärg kan utformas med multifunktionella egenskaper för specifika applikationer. "Det kan också ha andra fördelar, " Nagarajaiah sa. "Det kan vara en skyddande film som förhindrar korrosion eller kan förbättra styrkan hos det underliggande materialet."
Weisman sa att projektet kommer att kräva ytterligare utveckling av beläggningen innan en sådan produkt kan gå ut på marknaden. "Vi måste optimera detaljerna i dess sammansättning och förberedelser, och hitta det bästa sättet att applicera det på de ytor som kommer att övervakas, " sa han. "Dessa tillverknings-/tekniska frågor bör åtgärdas för att säkerställa korrekt prestanda, redan innan vi börjar arbeta med bärbara avläsningsinstrument."
"Det finns också subtiliteter om hur interaktioner mellan nanorören, den polymera värden och substratet påverkar reproducerbarheten och långtidsstabiliteten hos de spektrala skiftningarna. För verkliga mätningar, detta är viktiga överväganden, sa Weisman.
Men inget av dessa problem verkar oöverstigligt, han sa, och konstruktionen av en handhållen optisk töjningsläsare bör vara relativt enkel. "Det finns redan ganska kompakta infraröda spektrometrar som kan vara batteridrivna, ", sa Weisman. "Miniatyrlasrar och optik är också lätt tillgängliga. Så det skulle inte kräva uppfinning av ny teknik, bara att kombinera komponenter som redan finns.
"Jag är övertygad om att om det fanns en marknad, avläsningsutrustningen skulle kunna miniatyriseras och förpackas. Det är inte science fiction."
