211service.com
Lysemitterende gummi kunne mærke strukturelle skader
Forskere ved Princeton University har bygget en ny type sensor, der kan hjælpe ingeniører med hurtigt at vurdere sundheden for en bygning eller bro. Sensoren er en organisk laser, der er afsat på et ark gummi: når den strækkes - for eksempel ved dannelsen af en revne - ændres lysfarven, den udsender.
Ideen kom fra ideen om, at det måske er muligt at dække store strukturer som broer med en hud, som du kan bruge til at opdage deformation af strukturen på afstand, siger Sigurd Wagner , professor i elektroteknik ved Princeton University, som udviklede den strækbare lasersensor sammen med Patrick Görrn, en forsker ved Princeton. Værket blev offentliggjort i sidste måned i Avancerede materialer .
I mere end et årti har forskere undersøgt måder at lave tætte arrays af sensorer, der er i stand til at dække store områder. Sensing skins er især spændende for civilingeniører, som ved vigtigheden af at opdage skader i infrastruktur, så katastrofer som 2007-sammenbruddet af en bro i Minneapolis kan afværges. Der er virkelig et kritisk behov for at udvikle bedre sensorer, der kan anvendes til infrastruktursystemer, siger Jerome Lynch , professor i civil- og miljøteknik ved University of Michigan.
Traditionelle belastningssensorer måler simpelthen stress langs en bestemt linje. En sådan sensor er en ledning, der ændrer resistivitet, når den er under belastning. En anden type er en optisk fiber, der indikerer belastning, når lys, der indsprøjtes i den ene ende, spredes af en defekt i strukturen. Men problemet er, hvis skaden opstår mellem sensorerne - det er svært at opdage, siger Branko Glisic , en professor i civil- og miljøteknik ved Princeton, som ikke var direkte involveret i projektet.
En strækbar laser kunne løse dette problem ved at dække mere område end ledninger eller fiberoptik. For at fremstille enheden blev et ark af strækbart materiale kaldet polydimethylsiloxan (PDMS) specielt forberedt, så det havde en bølget overflade. Dernæst spundede forskerne en flydende blanding af organiske molekyler på den bølgede overflade. Når en ultraviolet laser lyser på det organiske lag (en metode til at drive en laser kaldet optisk pumpning), stimulerer den emissionen af fotoner fra de organiske molekyler. Lasing opstår, fordi den bølgede overflade fungerer som et diffraktionsgitter, der reflekterer lyset mellem bølgerne og effektivt forstærker signalet.
Molekylerne udsender normalt synligt rødt lys, men når gummioverfladen strækkes eller komprimeres, ændrer det farven på det lys, der udsendes. Ved at strække gummiet 2,2 procent af dets længde kunne forskerne ændre lysets farve. En lysdetektor vil bemærke en forskel på omkring fem nanometer mellem start- og slutbølgelængden af udsendt lys. Dette kan korrelere med små ændringer i belastningen i en struktur, forklarer Wagner. Det er højfølsomt, og det er fordelen, siger han. I mange tilfælde vil konstruktions- eller civilingeniører gerne se begyndende fejl, ikke en synlig revne; og de vil gerne have en sensor, der er i stand til den følsomme måling.
Optisk pumpning af den strækbare laserhud kunne være en fordel for systemet. Det kunne reducere installationsomkostningerne, fordi det ikke ville kræve ledninger. Det ville også betyde, at en ingeniør kunne stå på afstand fra en struktur, skinne ultraviolet lys på overfladen af den følende hud for at opdage små ændringer i belastningen.
Konceptet kunne udfylde en kritisk niche inden for strukturel sundhed, siger Lynch. Tilgangen virker ny, og det er interessant, hvilken slags resultater teknologien kunne give, når den implementeres i den virkelige verden. Lynch udvikler sansende skins til store områder, der er afhængige af lag af kulstofnanorør og andre organiske molekyler til blandt andet at registrere spænding, revner og korrosion.
Wagner siger, at hans prototype stadig mangler at blive finjusteret. Mens PDMS-arkene kan strække sig langt, falder de organiske lag af, når de trækkes for langt ud. Løsning af dette problem vil sandsynligvis komme ned til at teste forskellige typer lysemitterende molekyler og finde en måde, hvorpå de bedre kan fastgøres til PDMS. Vi kender de eksperimenter, der skal laves, siger han. Vi har bare ikke fundet den magiske opskrift endnu.