211service.com
Pryž vyzařující světlo může detekovat strukturální poškození
Výzkumníci z Princetonské univerzity sestrojili nový typ senzoru, který by mohl inženýrům pomoci rychle posoudit stav budovy nebo mostu. Senzor je organický laser, uložený na listu gumy: když se natáhne – například vytvořením trhliny – změní se barva světla, které vyzařuje.
Myšlenka vzešla z představy, že možná je možné pokrýt velké stavby, jako jsou mosty, pláštěm, který můžete použít k detekci deformace struktury na dálku, říká Sigurd Wagner , profesor elektrotechniky na Princetonské univerzitě, který vyvinul roztažitelný laserový senzor s Patrickem Görrnem, výzkumným pracovníkem z Princetonu. Práce byla zveřejněna minulý měsíc v Pokročilé materiály .
Již více než deset let výzkumníci zkoumali způsoby, jak vytvořit hustá pole senzorů schopných pokrýt velké oblasti. Snímací skiny jsou obzvláště zajímavé pro stavební inženýry, kteří vědí, jak je důležité zjišťovat škody v infrastruktuře, aby bylo možné odvrátit katastrofy, jako je zřícení mostu v Minneapolis v roce 2007. Existuje skutečně zásadní potřeba vyvinout lepší senzory, které lze aplikovat na systémy infrastruktury, říká Jerome Lynch , profesor stavebního a environmentálního inženýrství na University of Michigan.
Tradiční snímače napětí jednoduše měří napětí podél určité linie. Jedním z takových senzorů je drát, který mění odpor, když je pod napětím. Dalším typem je optické vlákno, které indikuje pnutí, když je světlo injektované na jednom konci rozptýleno defektem ve struktuře. Problém je ale v případě, že k poškození dojde mezi senzory – je těžké to zjistit, říká Branko Glisic , profesor stavebního a environmentálního inženýrství na Princetonu, který nebyl přímo zapojen do projektu.
Roztažitelný laser by mohl tento problém vyřešit tím, že pokryje větší plochu než dráty nebo vláknová optika. Pro výrobu zařízení byla speciálně připravena vrstva roztažitelného materiálu zvaného polydimethylsiloxan (PDMS), aby měl zvlněný povrch. Poté vědci roztočili kapalnou směs organických molekul na zvlněný povrch. Když ultrafialový laser svítí na organickou vrstvu (způsob napájení laseru nazývaný optické pumpování), stimuluje emisi fotonů z organických molekul. K lasování dochází, protože zvlněný povrch funguje jako difrakční mřížka, která odráží světlo mezi vlnami a účinně zesiluje signál.
Molekuly normálně vyzařují viditelné červené světlo, ale když je pryžový povrch natažen nebo stlačen, změní barvu vyzařovaného světla. Natažením gumy o 2,2 procenta její délky mohli vědci změnit barvu světla. Světelný detektor by zaznamenal rozdíl asi pěti nanometrů mezi počáteční a koncovou vlnovou délkou vyzařovaného světla. To by mohlo korelovat s drobnými změnami napětí ve struktuře, vysvětluje Wagner. Je vysoce citlivý, a to je výhoda, říká. V mnoha případech by stavební nebo stavební inženýři rádi viděli počínající poruchu, nikoli viditelnou trhlinu; a chtěli by mít senzor schopný tohoto citlivého měření.
Výhodou pro systém by mohlo být optické pumpování roztažitelné laserové kůže. Mohlo by to snížit náklady na instalaci, protože by to nevyžadovalo dráty. Znamenalo by to také, že inženýr by mohl stát v určité vzdálenosti od struktury, svítit ultrafialovým světlem na povrch snímací kůže, aby detekoval drobné změny napětí.
Tento koncept by mohl zaplnit kritickou mezeru ve strukturálním zdraví, říká Lynch. Tento přístup se zdá být neotřelý a je zajímavé, jaké výsledky by technologie mohla přinést, když je nasazena v reálném světě. Lynch vyvíjí velkoplošné snímací skiny, které se spoléhají na vrstvy uhlíkových nanotrubic a dalších organických molekul, které kromě jiných defektů snímají napětí, praskání a korozi.
Wagner říká, že jeho prototyp musí ještě doladit. Zatímco listy PDMS se mohou natáhnout na velkou vzdálenost, organické vrstvy se odtrhnou, když se příliš roztáhnou. Řešením tohoto problému bude pravděpodobně testování různých typů molekul vyzařujících světlo a nalezení způsobu, jak je lépe připevnit k PDMS. Známe experimenty, které je třeba provést, říká. Jen jsme ještě nenašli kouzelný recept.