Een nieuw type verf gemaakt met koolstofnanobuisjes aan de Rice University kan helpen bij het detecteren van spanning in gebouwen, bruggen en vliegtuigen.

De Rice-wetenschappers noemen hun mengsel "strain paint" en hopen dat het kan helpen bij het detecteren van vervormingen in structuren zoals vliegtuigvleugels. hun studie, deze maand online gepubliceerd door het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters beschrijft een composietcoating die ze hebben uitgevonden en die kan worden gelezen door een draagbare infraroodspectrometer.

Deze methode zou kunnen bepalen waar een materiaal tekenen van vervorming vertoont lang voordat de effecten zichtbaar worden voor het blote oog, en zonder de structuur aan te raken. De onderzoekers zeiden dat dit een groot voordeel biedt ten opzichte van conventionele rekstrookjes, die fysiek verbonden moeten zijn met hun uitleesapparatuur. In aanvulling, het op nanobuisjes gebaseerde systeem kan de spanning op elke locatie en in elke richting meten.

Rijstchemieprofessor Bruce Weisman leidde de ontdekking en interpretatie van nabij-infraroodfluorescentie van halfgeleidende koolstofnanobuisjes in 2002, en sindsdien heeft hij nieuwe optische instrumenten ontwikkeld en gebruikt om de fysische en chemische eigenschappen van nanobuisjes te onderzoeken.

Satish Nagarajaiah, een Rice hoogleraar civiele techniek en milieutechniek en werktuigbouwkunde en materiaalkunde, en zijn medewerkers leidden in 2004 de ontwikkeling van spanningsdetectie voor structurele integriteitsbewaking op macroniveau met behulp van de elektrische eigenschappen van koolstofnanofilms - dichte netwerken / ensembles van nanobuisjes. Sindsdien is hij doorgegaan met het onderzoeken van nieuwe spanningsdetectiemethoden met behulp van verschillende nanomaterialen.

Maar het was een meevaller dat Weisman en Nagarajaiah in 2010 dezelfde NASA-workshop bijwoonden. Weisman hield een lezing over nanobuisfluorescentie. Als een vlucht van fantasie, hij zei, hij voegde een illustratie toe van een hypothetisch systeem dat lasers zou gebruiken om spanningen in de nano-gecoate vleugel van een space shuttle te onthullen.

"Ik ging daarna naar hem toe en zei:'Bruce, weet je dat we echt kunnen proberen om te zien of dit werkt?'", herinnert Nagarajaiah zich.

Nanobuisfluorescentie vertoont grote, voorspelbare golflengteverschuivingen wanneer de buizen worden vervormd door spanning of compressie. De verf -- en dus elke nanobuis, ongeveer 50, 000 keer dunner dan een mensenhaar -- zou dezelfde belasting ondergaan als het oppervlak waarop het is geverfd en een duidelijk beeld geven van wat eronder gebeurt.

"Voor een vliegtuig, technici passen meestal conventionele rekstrookjes toe op specifieke locaties op de vleugel en onderwerpen deze aan krachttrillingstests om te zien hoe het zich gedraagt, " Zei Nagarajaiah. "Ze kunnen dit alleen op de grond doen en kunnen alleen een deel van een vleugel meten in specifieke richtingen en locaties waar de rekstrookjes zijn bedraad. Maar met onze contactloze techniek, ze konden de laser op elk punt op de vleugel richten en een stamkaart in elke richting krijgen."

Hij zei dat spanningsverf kan worden ontworpen met multifunctionele eigenschappen voor specifieke toepassingen. "Het kan ook andere voordelen hebben, "Zei Nagarajaiah. "Het kan een beschermende film zijn die corrosie belemmert of de sterkte van het onderliggende materiaal kan verbeteren."

Weisman zei dat het project verdere ontwikkeling van de coating vereist voordat een dergelijk product op de markt kan komen. "We zullen de details van de samenstelling en voorbereiding moeten optimaliseren, en de beste manier vinden om het toe te passen op de oppervlakken die worden gecontroleerd, " zei hij. "Deze fabricage-/engineeringproblemen moeten worden aangepakt om goede prestaties te garanderen, nog voordat we aan draagbare uitleesinstrumenten gaan werken."

"Er zijn ook subtiliteiten over hoe interacties tussen de nanobuisjes, de polymere gastheer en het substraat beïnvloeden de reproduceerbaarheid en stabiliteit op lange termijn van de spectrale verschuivingen. Voor real-world metingen, dit zijn belangrijke overwegingen, ' zei Weisman.

Maar geen van die problemen lijkt onoverkomelijk, hij zei, en de constructie van een draagbare optische spanningslezer zou relatief eenvoudig moeten zijn. "Er zijn al vrij compacte infraroodspectrometers die op batterijen kunnen werken, " zei Weisman. "Miniatuurlasers en optica zijn ook direct beschikbaar. Dus het zou niet de uitvinding van nieuwe technologieën vereisen, gewoon bestaande componenten combineren.

"Ik ben ervan overtuigd dat als er een markt zou zijn, de uitleesapparatuur kan worden geminiaturiseerd en verpakt. Het is geen sciencefiction."