Tack vare en speciell egenskap hos kolnanorör, ingenjörer kommer snart att kunna mäta den ackumulerade belastningen i ett flygplan, en bro eller en pipeline – eller precis vad som helst – över hela ytan eller ner till mikroskopiska nivåer.

De kommer att göra det genom att skina ett ljus på strukturer belagda med en tvålagers nanorörsfilm och skyddande polymer. Töjning i ytan kommer att visa sig som förändringar i våglängderna för nära-infrarött ljus som emitteras från filmen och fångas av en miniatyriserad handhållen läsare. Resultaten kommer att visa ingenjörer och underhållspersonal om strukturer som broar eller flygplan har deformerats av stressframkallande händelser eller regelbundet slitage.

Som en vit skjorta under ett ultraviolett ljus, enkelväggiga kolnanorör fluorescerar, en fastighet som upptäcktes 2002 i Rice-kemisten Bruce Weismans labb. I ett grundforskningsprojekt några år senare, gruppen visade att sträckning av ett nanorör ändrar färgen på dess fluorescens.

När Weismans resultat kom till Rices civil- och miljöingenjör Satish Nagarajaiah – som hade arbetat självständigt med liknande idéer med hjälp av Raman-spektroskopi, men på makroskalan, sedan 2003 – han föreslog att man skulle samarbeta för att omvandla det vetenskapliga fenomenet till en användbar teknik för belastningsavkänning.

Nu, Nagarajaiah och Weisman och har publicerat ett par viktiga artiklar om deras "smarta hud"-projekt. Den första visas i Structural Control &Health Monitoring, och introducerar den senaste versionen av tekniken de först avslöjade 2012.

Den beskriver en metod för att deponera den mikroskopiska nanorörsavkännande filmen separat från ett skyddande toppskikt. Färgförändringar i nanoröremissionen indikerar mängden töjning i den underliggande strukturen. Forskarna säger att det möjliggör tvådimensionell kartläggning av ackumulerad belastning som inte kan uppnås med någon annan beröringsfri metod.

Den andra tidningen, i Journal of Structural Engineering, beskriver resultaten av att testa smart hud på metallexemplar med ojämnheter där stress och belastning ofta är koncentrerad.

"Projektet började som ren vetenskap om nanorörsspektroskopi, och ledde till det proof-of-principe-samarbete som visade att vi kunde mäta töjningen av det underliggande substratet genom att kontrollera filmens spektrum på ett ställe, ", sa Weisman. "Det föreslog att metoden kunde utökas för att mäta hela ytor. Det vi har visat nu är mycket närmare den praktiska tillämpningen."

Sedan den första rapporten, forskarna har förfinat kompositionen och förberedelsen av filmen och dess applicering i airbrush-stil, och utvecklade även skannerenheter som automatiskt fångar data från flera programmerade punkter. Till skillnad från konventionella sensorer som bara mäter töjning vid en punkt längs en axel, den smarta filmen kan selektivt sonderas för att avslöja spänningar i vilken riktning och plats som helst.

Tvåskiktsfilmen är bara några mikrometer tjock, en bråkdel av bredden av ett människohår, och knappt synligt på en genomskinlig yta. "I våra första filmer, nanorörssensorerna blandades in i polymeren, ", sa Nagarajaiah. "Nu när vi har separerat avkännings- och skyddsskikten, nanoröremissionen är tydligare och vi kan skanna med mycket högre upplösning. Det låter oss fånga betydande mängder data ganska snabbt."

Forskarna testade smart hud på aluminiumstänger under spänning med antingen ett hål eller en skåra för att representera de platser där belastningen tenderar att byggas. Att mäta dessa potentiella svaga punkter i deras obestressade tillstånd och sedan igen efter applicering av stress visade dramatiska förändringar i töjningsmönster som sammanfogats från punkt-för-punkt ytkartering.

"Vi vet var högstressområdena i strukturen är, potentiella felpunkter, ", sa Nagarajaiah. "Vi kan belägga dessa regioner med filmen och skanna dem i friskt tillstånd, och sedan efter en händelse som en jordbävning, gå tillbaka och skanna igen för att se om stamfördelningen har förändrats och strukturen är i fara."

I sina tester, forskarna sa att de uppmätta resultaten var en nära matchning med töjningsmönster som erhållits genom avancerade beräkningssimuleringar. Avläsningar från den smarta huden gjorde det möjligt för dem att snabbt upptäcka distinkta mönster nära högstressområdena, sa Nagarajaiah. De kunde också se tydliga gränser mellan områden med drag- och tryckpåkänning.

"Vi mätte punkter 1 millimeter från varandra, men vi kan gå 20 gånger mindre när det behövs utan att offra belastningskänsligheten, " sa Weisman. Det är ett språng över vanliga töjningssensorer, som endast ger avläsningar över flera millimeter, han sa.

Forskarna ser att deras teknik gör första inbrytningar i nischapplikationer, som att testa turbiner i jetmotorer eller strukturella element i deras utvecklingsstadier. "Det kommer inte att ersätta all befintlig teknik för töjningsmätning direkt, ", sa Weisman. "Teknologier tenderar att vara mycket förankrade och har mycket tröghet.

"Men det har fördelar som kommer att visa sig användbara när andra metoder inte kan göra jobbet, " sa han. "Jag förväntar mig att det kommer att användas i tekniska forskningsapplikationer, och i design och testning av strukturer innan de används i fält."

Med sin smarta hud förfinad, forskarna arbetar för att utveckla nästa generation av stamläsare, en kameraliknande enhet som kan fånga töjningsmönster över en stor yta på en gång.

Medförfattare till båda artiklarna är Rice predoctoral forskare Peng Sun och Ching-Wei Lin och forskaren Sergei Bachilo. Weisman är professor i kemi och i materialvetenskap och nanoteknik. Nagarajaiah är professor i civil- och miljöteknik, av maskinteknik, och materialvetenskap och nanoteknik.