"Moodring-materialen" kunnen een belangrijke rol spelen bij het minimaliseren en beperken van schade aan de falende infrastructuur van het land.

De American Society of Civil Engineers schat dat er tegen 2020 meer dan $ 3,6 biljoen aan investeringen nodig is om de falende infrastructuur van het land te rehabiliteren en te moderniseren. De verkozen president Donald Trump heeft beloofd om bij zijn aantreden een programma ter verbetering van de infrastructuur ter waarde van $ 1 biljoen op te zetten.

Een belangrijk element in elke moderniseringsinspanning is de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde methoden om schade in deze structuren op te sporen voordat deze kritiek wordt. Dat is waar 'moodring-materialen' om de hoek komen kijken.

Strooi een pixiedust van nanodeeltjes in een partij heldere polymeerhars en je krijgt "een slim materiaal dat van kleur verandert wanneer het beschadigd is of op het punt staat te falen, wat ik een 'moodring-materiaal' noem, '" legde Cole Brubaker uit, een doctoraatsstudent civiele techniek die deel uitmaakt van een interdisciplinair onderzoeksteam aan het Laboratorium voor Systeemintegriteit en Betrouwbaarheid (LASIR) van Vanderbilt University dat het nieuwe detectiesysteem ontwikkelt.

Smart sensing-technologieën zijn een van de hete nieuwe gebieden in civiele, werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek. Deze inspanningen waren over het algemeen gericht op het ontwikkelen van netwerken van fysieke sensoren die zijn bevestigd aan interessante structuren. Echter, deze benadering werd belemmerd door hoge kosten en vereisten voor stroom- en gegevensverwerking.

De LASIR-onderzoekers slaan een andere weg in door in het materiaal zelf fluorescerende nanodeeltjes op te nemen die reageren op stress door hun optische eigenschappen te veranderen om een ​​nieuw soort detectiesysteem te creëren dat deze structuren op een efficiënte en kosteneffectieve manier kan monitoren.

"Momenteel, er zijn twee manieren om alles, van bruggen tot vliegtuigen, veilig te houden, " zei LASIR-directeur, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Hoogleraar civiele techniek en milieutechniek. "Een daarvan is om mensen erop uit te sturen om met een zaklamp naar hen te kijken. Het probleem hiermee is dat het arbeidsintensief is en de mensen geen hele kleine scheurtjes kunnen zien wanneer ze zich vormen. De andere is om uitgebreide sensornetwerken te installeren die constant zoek naar kleine scheurtjes en detecteer ze voordat ze te groot worden Het probleem is dat deze netwerken erg duur zijn en in het geval van vliegtuigen, veel gewicht toevoegen. "Dus we moeten de materialen die we gebruiken op de een of andere manier veranderen, zodat ze deze kleine scheurtjes verlichten."

De eerste onderzoeken van het team, afgelopen april gepubliceerd in de Proceedings of the SPIE Conference on Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanische en ruimtevaartsystemen, hebben vastgesteld dat het toevoegen van een kleine concentratie van speciale nanodeeltjes (1 tot 5 gewichtsprocent) aan een optisch heldere polymeermatrix een onderscheidende lichtsignatuur produceert die verandert als het materiaal wordt onderworpen aan een breed scala aan druk- en trekbelastingen.

De Vanderbilt-groep is niet het enige onderzoeksteam dat nanodeeltjes gebruikt om slimme materialen te maken, maar ze hebben een speciaal voordeel. Ze gebruiken een bepaald type nanodeeltje, een kwantumstip met wit licht. Deze kwantumdots zijn uniek omdat ze wit licht uitstralen waar andere kwantumdots alleen licht uitstralen op specifieke golflengten.

Deze bijzondere kwantumstippen werden in 2005 bij toeval ontdekt in het laboratorium van Sandra Rosenthal, Jack en Pamela Egan hoogleraar scheikunde aan Vanderbilt. "We probeerden de kleinste cadmiumselenide-kwantumdots mogelijk te maken en, toen we dat deden, we waren verbaasd om te ontdekken dat ze in een breed spectrum uitzenden, " herinnerde ze zich.

"Wit licht quantum dots hebben zeer unieke optische eigenschappen in vergelijking met andere nanodeeltjes, " zei Talitha Frecker, een afgestudeerde scheikundestudent die deelneemt aan het onderzoek. "De fluorescentie van wit licht is een oppervlaktefenomeen."

Snel vooruit naar 2013 toen Adams naar Vanderbilt verhuisde. Toen hij hoorde over de ontdekking van Rosenthal, hij realiseerde zich dat haar kwantumstippen op maat waren gemaakt voor het maken van slimme materialen:"Als we deze nanodeeltjes in een materiaal stoppen, ze observeren en reageren op wat er om hen heen gebeurt."

Nu is Adams verwachting bevestigd door de reeks voorbereidende tests die Brubaker en zijn collega's hebben uitgevoerd. Ze hebben glasvezel- en aluminiumstrips gecoat met een polymeercoating die kwantumstippen met wit licht bevat en onderworpen aan verschillende gradaties van externe belasting. Ze hebben vastgesteld dat de intensiteit van het emissiespectrum dat door de kwantumstippen wordt geproduceerd, afneemt naarmate de belasting toeneemt. De drop-off is het grootst bij de initiële belasting en neemt geleidelijk af bij hogere belastingniveaus.

"Het mechanisme is nog een beetje onduidelijk, maar we hebben aangetoond dat het vangen van deze kwantumstippen in ultradunne polymeerfilms op metalen oppervlakken vooraf kan waarschuwen wanneer het onderliggende metaal op het punt staat fysieke of chemische schade op te lopen, " zei hoogleraar Chemische en Biomoleculaire Engineering Kane Jennings, die samen met promovendus Ian Njoroge deelneemt aan het project.

De onderzoekers theoretiseren dat de kwantumstippen licht in een breed spectrum uitstralen omdat meer dan 80 procent van de atomen op het oppervlak ligt. Ze weten ook dat de bindingen tussen de oppervlakte-atomen en moleculen die hen omringen een cruciale rol spelen.

"Het eindresultaat is dat de sterkte van de kwantumdot-emissies ons een permanent record geeft van het stressniveau dat een materiaal heeft ervaren, ’ zei Brubaker.

Op deze manier, de onderzoekers hebben geverifieerd dat het materiaal kan fungeren als een nieuw soort rekstrookje dat permanent de cumulatieve hoeveelheid stress registreert die het materiaal waarop het wordt toegepast, ervaart.

In hun eerste experimenten, de ingenieurs hebben de lasten relatief bescheiden gehouden, onder 1, 250 pond, ruim binnen de elastische limieten die de materialen kunnen weerstaan ​​zonder blijvende schade. Dit heeft hen een basislijn opgeleverd die ze kunnen gebruiken om te vergelijken met de resultaten die ze krijgen als ze overgaan op hogere belastingen die ervoor zorgen dat de materialen beginnen te bezwijken.

De onderzoekers weten dat de dingen ingewikkelder zullen worden naarmate ze de stress die ze uitoefenen opvoeren.

Bijvoorbeeld, in een reeks tests liepen ze met epoxycilinders, die onder compressie vervormde tot een tonvorm, ze ontdekten dat het emissiespectrum daadwerkelijk toenam, in plaats van te verminderen. Ze veronderstellen dat deze toename in emissie plaatsvond omdat de vervorming de nanodeeltjes dichter bij elkaar drukte, dus er waren er meer in het kleine gebied waar ze de emissie aan het meten waren.

De onderzoekers zijn al een van deze complicaties tegengekomen toen ze glasvezelmonsters met oppervlaktecoating testten. Wanneer deze monsters onder trekspanning werden belast, het emissiespectrum nam veel af, net als bij de aluminiummonsters, totdat de belasting ongeveer 350 pond bereikte. Maar toen begon het te klimmen.

Door het knallen en kraken van de monsters, ze realiseerden zich dat dit het punt was waarop individuele vezels in het monster begonnen te breken. Ze veronderstellen dat de emissie toenam omdat kwantumstippen die voorheen verborgen waren in de glasvezelmatrix werden blootgesteld toen vezels begonnen te falen. Dit verhoogde opnieuw het aantal quantum dots binnen een bepaald gebied, waardoor het totale emissieniveau stijgt.

Het LASIR-team realiseert zich ook dat er nog een ander probleem is dat ze moeten oplossen om een ​​praktisch schadedetectiesysteem te maken. De quantum dots hebben last van fotobleking. Dat is, wanneer ze aan licht worden blootgesteld, verliezen ze in de loop van de tijd geleidelijk hun fluorescentie. Als resultaat, het materiaal moet worden afgeschermd van licht van buitenaf.

"Er is veel dat we moeten leren voordat we een slim materiaal kunnen maken dat klaar is voor toepassingen in de echte wereld, maar alle tekenen zijn positief, "zei Adams. "Sommige van onze commerciële partners zijn erg geïnteresseerd, dus er is een goede kans dat het wordt geadopteerd als het zo goed presteert als we denken dat het zal doen."