"Mood ring material" kan spela en viktig roll för att minimera och mildra skador på landets bristande infrastruktur.

American Society of Civil Engineers har uppskattat att det behövs mer än 3,6 biljoner dollar i investeringar till 2020 för att rehabilitera och modernisera landets bristande infrastruktur. Den tillträdande presidenten Donald Trump har lovat att upprätta ett program för förbättring av infrastrukturen på 1 biljon dollar när han tillträder.

En viktig del i varje moderniseringsarbete kommer att vara utvecklingen av nya och förbättrade metoder för att upptäcka skador i dessa strukturer innan de blir kritiska. Det är där "humörringmaterial" kommer in.

Strö ett nissedamm av nanopartiklar i en sats klar polymerharts och du får "ett smart material som ändrar färg när det skadas eller håller på att gå sönder, vad jag kallar ett humörringmaterial, '" förklarade Cole Brubaker, en doktorand i civilingenjör som ingår i ett tvärvetenskapligt forskarteam vid Vanderbilt University's Laboratory for Systems Integrity and Reliability (LASIR) som utvecklar det nya avkänningssystemet.

Smarta avkänningstekniker är ett av de heta nya områdena inom civil, maskin- och flygteknik. Dessa ansträngningar har i allmänhet fokuserat på att utveckla nätverk av fysiska sensorer som är kopplade till strukturer av intresse. Dock, detta tillvägagångssätt har hindrats av höga kostnader samt krav på kraft och databehandling.

LASIR-forskarna tar ett annat slag genom att införliva fluorescerande nanopartiklar i själva materialet som reagerar på stress genom att ändra deras optiska egenskaper för att skapa en ny typ av detektionssystem som kan övervaka dessa strukturer på ett effektivt och kostnadseffektivt sätt.

"För närvarande, det finns två sätt att hålla allt från broar till flygplan säkert, " sa LASIR direktör, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Professor i civil- och miljöteknik. "Den ena är att skicka ut folk för att titta på dem med en ficklampa. Problemet med detta är att det är arbetskrävande och folket kan inte se väldigt små sprickor när de bildas. Den andra är att installera utarbetade sensornätverk som hela tiden leta efter små sprickor och upptäck dem innan de blir för stora. Problemet är att dessa nätverk är mycket dyra och, när det gäller flygplan, lägga till mycket vikt. "Så vi måste på något sätt ändra materialen vi använder så att de lyser upp dessa små sprickor."

Teamets inledande studier, publicerades i april förra året i Proceedings of the SPIE Conference on Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mekaniska och flyg- och rymdsystem, har bestämt att tillsats av en liten koncentration av speciella nanopartiklar (1 till 5 viktprocent) till en optiskt klar polymermatris ger en distinkt ljussignatur som förändras när materialet utsätts för ett brett spektrum av tryck- och dragbelastningar.

Vanderbilt-gruppen är inte det enda forskarteamet som använder nanopartiklar för att skapa smarta material, men de har en speciell fördel. De använder en viss typ av nanopartikel som kallas kvantprick med vit ljus. Dessa kvantprickar är unika eftersom de avger vitt ljus där andra kvantprickar bara avger ljus vid specifika våglängder.

Dessa speciella kvantprickar upptäcktes av misstag 2005 i Sandra Rosenthals laboratorium, Jack och Pamela Egan professor i kemi vid Vanderbilt. "Vi försökte göra de minsta möjliga kadmiumselenidkvantprickarna och, när vi gjorde det, vi blev förvånade när vi upptäckte att de släpper ut i ett brett spektrum, " mindes hon.

"Vita ljuskvantprickar har mycket unika optiska egenskaper jämfört med andra nanopartiklar, " sa Talitha Frecker, en kemistudent som studerar. "Den vita ljusfluorescensen är ett ytfenomen."

Snabbspola framåt till 2013 när Adams flyttade till Vanderbilt. När han fick veta om Rosenthals upptäckt, han insåg att hennes kvantprickar var skräddarsydda för att skapa smarta material:"När vi sätter dessa nanopartiklar i ett material, de observerar och reagerar på vad som händer omkring dem."

Nu har Adams förväntan bekräftats av den serie preliminära tester som Brubaker och hans kollegor har genomfört. De har belagda glasfiber- och aluminiumremsor med en polymerbeläggning som innehåller vita ljusa kvantprickar och utsatt dem för olika grader av yttre belastning. De har bestämt att intensiteten av emissionsspektrumet som produceras av kvantpunkterna minskar när belastningen ökar. Avfallet är störst med den initiala belastningen och minskar gradvis vid högre belastningsnivåer.

"Mekanismen är fortfarande lite oklar, men vi har visat att infångning av dessa kvantprickar i ultratunna polymerfilmer på metallytor kan ge förvarning när den underliggande metallen är på väg att utsättas för fysisk eller kemisk skada, " sa professor i kemi och biomolekylär teknik Kane Jennings, som deltar i projektet tillsammans med doktoranden Ian Njoroge.

Forskarna teoretiserar att kvantprickarna avger ljus i ett brett spektrum eftersom mer än 80 procent av atomerna ligger på ytan. De vet också att bindningarna mellan ytatomerna och molekylerna som omger dem spelar en avgörande roll.

"Slutresultatet är att styrkan i kvantpunktutsläppen ger oss en permanent registrering av den stressnivå som ett material har upplevt, sa Brubaker.

På detta sätt, forskarna har verifierat att materialet kan fungera som en ny typ av töjningsmätare som permanent registrerar den kumulativa mängden stress som materialet som det appliceras på upplever.

I sina första experiment, ingenjörerna har hållit lasterna relativt blygsamma, under 1, 250 pund, väl inom de elastiska gränserna som materialen tål utan permanenta skador. Detta har gett dem en baslinje som de kan använda för att jämföra med resultaten de får när de flyttar till högre belastningar som gör att materialen börjar misslyckas.

Forskarna vet att saker och ting kommer att bli mer komplicerade när de ökar påfrestningarna de utsätter.

Till exempel, i en uppsättning tester körde de med epoxicylindrar, som deformerades till en cylinderform under kompression, de fann att emissionsspektrumet faktiskt ökade, istället för att minska. De antar att denna ökning av utsläppet inträffade eftersom deformationen faktiskt klämde nanopartiklarna närmare varandra så att det fanns fler av dem inom det lilla området där de mätte utsläppet.

Forskarna har redan stött på en av dessa komplikationer när de testade ytbelagda glasfiberprover. När dessa prover laddades under dragpåkänning, utsläppsspektrumet minskade mycket som det gjorde med aluminiumproven tills lasten nådde cirka 350 pund. Men sedan började det klättra.

Genom att knäppa och spricka från proverna, de insåg att detta var punkten när enskilda fibrer i provet började gå sönder. De antar att utsläppet ökade på grund av att kvantprickar som tidigare var gömda i glasfibermatrisen exponerades när fibrerna började misslyckas. Detta ökade återigen antalet kvantprickar inom ett givet område, får den totala utsläppsnivån att stiga.

LASIR-teamet inser också att det finns ett annat problem som de måste lösa för att göra ett praktiskt skadedetekteringssystem. Kvantprickarna lider av fotoblekning. Det är, när de utsätts för ljus tappar de gradvis sin fluorescens med tiden. Som ett resultat, materialet måste vara avskärmat från yttre ljus.

"Det är mycket vi måste lära oss innan vi kan skapa ett smart material som är redo för verkliga tillämpningar, men alla tecken är positiva, ", sa Adams. "Några av våra kommersiella partners är mycket intresserade så det finns en god chans att det kommer att antas om det presterar så bra som vi tror att det kommer att göra."