En belastningsavkännande smart hud utvecklad vid Rice University som använder mycket små strukturer, kolnanorör, för att övervaka och upptäcka skador i stora strukturer är redo för bästa sändningstid.

"Strain paint" som först avslöjades av Rice 2012 använder de fluorescerande egenskaperna hos nanorör för att visa när en yta har deformerats av stress.

Nu utvecklad som en del av ett beröringsfritt optiskt övervakningssystem känt som S4, kan flerskiktsbeläggningen appliceras på stora ytor – broar, byggnader, fartyg och flygplan, till att börja med – där hög belastning utgör ett osynligt hot.

Projektet som leds av Rice-kemisten Bruce Weisman, konstruktionsingenjören Satish Nagarajaiah och huvudförfattaren och doktorand Wei Meng kommer från Weismans upptäckt 2002 att halvledande kolnanorör fluorescerar vid nära-infraröda våglängder. Han utvecklade därefter optiska instrument för att utforska de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos nanorör, inklusive spektroskopiska stameffekter, 2008.

Oberoende 2004 föreslog och utvecklade Nagarajaiah en beröringsfri optisk töjningssensor som använder kolnanorörsfilmer bundna till strukturella delar med epoxi och sonderad med Raman-spektroskopi.

Deras oberoende forskningsvägar slogs samman till ett gemensamt projekt 2008 när Weisman och Nagarajaiah upptäckte att enkelväggiga kolnanorör inbäddade i en polymer och bundna till en strukturell del kommer att uppleva samma belastning och kan rapportera det optiskt genom spektrala skiftningar i deras nära-infraröda fluorescens. De rapporterade det fyndet i en tidning från 2012.

"Töjningsmätningar görs ofta som en del av säkerhetsrelaterade inspektioner," sa Weisman. "Det tekniska samfundet är med rätta konservativt, eftersom deras mätningar måste vara tillförlitliga. Så vi måste övervinna skepsis mot nya metoder genom att bevisa att vår är lika giltig som de etablerade.

"Det här dokumentet presenterar vår metods referenser som en seriös töjningsmätningsteknik," sa han.

Detaljer om nästa generations, beröringsfria system visas i vetenskapliga rapporter.

Stammappning har förlitat sig på två tekniker:fysiska mätare fästa på strukturer och digital bildkorrelation (DIC), som används för att jämföra bilder tagna över tid av ytor med inbäddade "fläckar".

Weisman sa att S4 lätt står upp mot DIC. Ännu bättre, de två teknikerna kan fungera tillsammans. "Vi ville göra en direkt jämförelse med DIC, som är den enda kommersialiserade kartläggningsmetoden för stam där ute," sa han. "Det används i ett antal branscher, och folk har ett ganska högt förtroende för det.

"För att visa att vår metod kan stå sida vid sida med den och få resultat som är liknande eller bättre, utvecklade Wei en metod för att integrera S4 och DIC så att båda teknikerna kan användas samtidigt och till och med komplettera varandra," sa Weisman. P>

Själva huden har tre lager, deras konfiguration anpassad till ytan de täcker. Vanligtvis målas en ogenomskinlig primer som innehåller DIC-fläckarna först. Det andra lagret är en klar polyuretan som isolerar basen från nanorören. Slutligen sprayas avkänningsskiktet av individuellt belagda nanorör, suspenderade i toluen, ovanpå. Toluenen avdunstar och lämnar ett submikrontjockt avkänningsskikt av nanorör bundna till strukturelementet. Ett extra skyddande lager kan appliceras ovanpå för att hålla huden aktiv i flera år.

Systemet kräver också en läsare, i det här fallet en liten synlig laser för att excitera nanorören och en bärbar spektrometer för att se hur de är ansträngda.

Meng jämförde noggrant S4 med både DIC och datorsimuleringar i tester på I-formade akrylstänger med ett hål eller en utskärning, och på betongblock och aluminiumplåtar med hål borrade i dem för att fokusera töjningsmönster. I alla fall gav S4 en högupplöst, exakt bild av de stressade proverna som var jämförbar med eller bättre än de samtidiga DIC-resultaten.

Att mäta betong utgjorde en optisk utmaning. "Vi fann att cement i betongen har en inneboende nära-infraröd emission som störde våra töjningsmätningar," sa Nagarajaiah. "Wei tillbringade enormt mycket tid, särskilt under pandemin, på att noggrant arbeta på en ny arkitektur för att blockera dessa signaler."

Istället för det vanliga vita basskiktet tjänade en svart bas som också håller prickarna syftet, sa han.

"Det finns ytterligare en fördel med S4 framför DIC som vi inte hade uppskattat förrän nyligen," sa Weisman. "Det är det faktum att för att få bra resultat från DIC krävs hög kompetens från operatörens sida. Företag säger till oss att endast deras ingenjörer är kvalificerade att använda det. Det är enkelt att ta data, men tolkningen kräver mycket bedömning.

"Vår metod är helt annorlunda", sa han. "Det är nästan lika enkelt att ta data, men analysen för att få S4-stamkartan är automatisk. I det långa loppet kommer det att vara en fördel."

"Jag tvivlar inte på att detta är en toppmodern metod för stamkartläggning," sa Nagarajaiah. "Vi har testat det på konstruktionselement gjorda av metall, plast och betong med komplexa mikrosprickor och skador under ytan, och det fungerar i alla fall. Jag tror att vi har nått det stadium där det är redo för implementering, och vi engagerar oss med industrin för att lära sig hur den kan hjälpa dem."

Risforskaren Sergei Bachilo och doktoranden Ashish Pal är medförfattare till studien. Weisman är professor i kemi och i materialvetenskap och nanoteknik. Nagarajaiah är professor i civil- och miljöteknik, i materialvetenskap och nanoteknik och i maskinteknik. + Utforska vidare

Kiselfluorescens lyser genom mikrosprickor i cement och avslöjar tidiga tecken på skada