Dankzij een bijzonder kenmerk van koolstofnanobuisjes, ingenieurs zullen binnenkort de opgebouwde spanning in een vliegtuig kunnen meten, een brug of een pijpleiding - of zo ongeveer alles - over het hele oppervlak of tot op microscopisch kleine niveaus.

Ze doen dit door licht te laten schijnen op structuren die zijn bedekt met een tweelaagse nanobuisfilm en beschermend polymeer. Spanning in het oppervlak zal zichtbaar worden als veranderingen in de golflengten van nabij-infrarood licht dat door de film wordt uitgezonden en wordt vastgelegd door een geminiaturiseerde draagbare lezer. De resultaten zullen ingenieurs en onderhoudsploegen laten zien of constructies zoals bruggen of vliegtuigen vervormd zijn door stressveroorzakende gebeurtenissen of regelmatige slijtage.

Als een wit overhemd onder een ultraviolet licht, enkelwandige koolstofnanobuizen fluoresceren, een eigenschap ontdekt in 2002 in het laboratorium van Rice-chemicus Bruce Weisman. In een fundamenteel onderzoeksproject een paar jaar later, de groep toonde aan dat het uitrekken van een nanobuisje de kleur van zijn fluorescentie verandert.

Toen de resultaten van Weisman onder de aandacht kwamen van de civiel- en milieuingenieur Satish Nagarajaiah van Rice - die onafhankelijk had gewerkt aan soortgelijke ideeën met behulp van Raman-spectroscopie, maar op macroschaal, sinds 2003 - hij stelde voor om samen te werken om dat wetenschappelijke fenomeen om te zetten in een bruikbare technologie voor spanningsdetectie.

Nutsvoorzieningen, Nagarajaiah en Weisman en hebben een paar belangrijke artikelen gepubliceerd over hun "smart skin"-project. De eerste verschijnt in Structural Control &Health Monitoring, en introduceert de nieuwste versie van de technologie die ze voor het eerst onthulden in 2012.

Het beschrijft een methode om de microscopisch kleine nanobuis-sensing film afzonderlijk van een beschermende toplaag af te zetten. Kleurveranderingen in de emissie van nanobuizen geven de hoeveelheid spanning in de onderliggende structuur aan. De onderzoekers zeggen dat het tweedimensionale mapping van geaccumuleerde stam mogelijk maakt die niet kan worden bereikt door een andere contactloze methode.

Het tweede papier, in de Journal of Structural Engineering, beschrijft de resultaten van het testen van slimme huid op metalen exemplaren met onregelmatigheden waar stress en spanning vaak geconcentreerd zijn.

"Het project begon als pure wetenschap over nanobuisspectroscopie, en leidde tot het proof-of-principle samenwerkingswerk dat aantoonde dat we de spanning van het onderliggende substraat konden meten door het spectrum van de film op één plek te controleren, " zei Weisman. "Dat suggereerde dat de methode zou kunnen worden uitgebreid om hele oppervlakken te meten. Wat we nu hebben laten zien, komt veel dichter bij die praktische toepassing."

Sinds het eerste rapport de onderzoekers hebben de samenstelling en voorbereiding van de film en de toepassing in airbrush-stijl verfijnd, en ontwikkelde ook scannerapparaten die automatisch gegevens vastleggen van meerdere geprogrammeerde punten. In tegenstelling tot conventionele sensoren die de belasting slechts op één punt langs één as meten, de slimme film kan selectief worden gesondeerd om spanning in elke richting en locatie te onthullen.

De tweelaagse folie is slechts enkele micron dik, een fractie van de breedte van een mensenhaar, en nauwelijks zichtbaar op een transparant oppervlak. "In onze eerste films, de nanobuissensoren werden in het polymeer gemengd, "Zei Nagarajaiah. "Nu we de voelende en de beschermende lagen hebben gescheiden, de emissie van nanobuisjes is duidelijker en we kunnen met een veel hogere resolutie scannen. Daardoor kunnen we vrij snel aanzienlijke hoeveelheden gegevens vastleggen."

De onderzoekers testten slimme huid op aluminium staven onder spanning met een gat of een inkeping om de plaatsen weer te geven waar spanning de neiging heeft zich op te bouwen. Het meten van deze potentiële zwakke plekken in hun onbeklemtoonde toestand en daarna opnieuw na het uitoefenen van spanning toonde dramatische veranderingen in spanningspatronen die aan elkaar werden geknutseld door punt-voor-punt oppervlaktekartering.

"We weten waar de hoge spanningsgebieden van de constructie zijn, de mogelijke faalpunten, "Zei Nagarajaiah. "We kunnen die regio's met de film bedekken en ze in gezonde staat scannen, en dan na een gebeurtenis als een aardbeving, ga terug en scan opnieuw om te zien of de spanningsverdeling is veranderd en of de structuur gevaar loopt."

In hun testen, de onderzoekers zeiden dat de gemeten resultaten nauw overeenkwamen met spanningspatronen die werden verkregen door geavanceerde computersimulaties. Door metingen van de slimme huid konden ze snel onderscheidende patronen herkennen in de buurt van de gebieden met veel stress, zei Nagarajaiah. Ze waren ook in staat om duidelijke grenzen te zien tussen gebieden met trek- en drukspanning.

"We maten punten op 1 millimeter van elkaar, maar we kunnen 20 keer kleiner gaan als dat nodig is zonder de spanningsgevoeligheid op te offeren, " zei Weisman. Dat is een sprong ten opzichte van standaard reksensoren, die alleen metingen geven van gemiddeld enkele millimeters, hij zei.

De onderzoekers zien hun technologie een eerste intrede maken in nichetoepassingen, zoals het testen van turbines in straalmotoren of structurele elementen in hun ontwikkelingsfase. "Het zal niet meteen alle bestaande technologieën voor rekmeting vervangen, " Zei Weisman. "Technologieën hebben de neiging om erg diepgeworteld te zijn en hebben veel traagheid.

"Maar het heeft voordelen die nuttig zullen blijken wanneer andere methoden het werk niet kunnen doen, " zei hij. "Ik verwacht dat het gebruikt zal worden in technische onderzoekstoepassingen, en bij het ontwerpen en testen van constructies voordat ze in het veld worden ingezet."

Met hun slimme huid verfijnd, de onderzoekers werken aan de ontwikkeling van de volgende generatie van de strain reader, een camera-achtig apparaat dat in één keer spanningspatronen over een groot oppervlak kan vastleggen.

Co-auteurs van beide artikelen zijn Rice predoctorale onderzoekers Peng Sun en Ching-Wei Lin en onderzoekswetenschapper Sergei Bachilo. Weisman is hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en nano-engineering. Nagarajaiah is hoogleraar civiele techniek en milieutechniek, van werktuigbouwkunde, en van materiaalkunde en nano-engineering.