Une illustration montre comment la lumière polarisée d'un laser et d'un spectromètre dans le proche infrarouge pourrait lire les niveaux de contrainte dans un matériau recouvert d'une peinture infusée de nanotubes inventée à l'Université Rice. (Crédit :Bruce Weisman/Université Rice)
Un nouveau type de peinture à base de nanotubes de carbone à l'Université Rice peut aider à détecter les contraintes dans les bâtiments, ponts et avions.
Les scientifiques de Rice appellent leur mélange « peinture de contrainte » et espèrent qu'il pourra aider à détecter des déformations dans des structures comme les ailes d'avion. Leur étude, publié en ligne ce mois-ci par la revue American Chemical Society Lettres nano détaille un revêtement composite qu'ils ont inventé et qui peut être lu par un spectromètre infrarouge portable.
Cette méthode pourrait indiquer où un matériau présente des signes de déformation bien avant que les effets ne deviennent visibles à l'œil nu, et sans toucher à la structure. Les chercheurs ont déclaré que cela offrait un grand avantage par rapport aux jauges de contrainte conventionnelles, qui doivent être physiquement connectés à leurs dispositifs de lecture. En outre, le système à base de nanotubes pourrait mesurer la contrainte à n'importe quel endroit et dans n'importe quelle direction.
Le professeur de chimie du riz Bruce Weisman a dirigé la découverte et l'interprétation de la fluorescence dans le proche infrarouge à partir de nanotubes de carbone semi-conducteurs en 2002, et il a depuis développé et utilisé une nouvelle instrumentation optique pour explorer les propriétés physiques et chimiques des nanotubes.
Satish Nagarajaiah, un professeur Rice de génie civil et environnemental et de génie mécanique et science des matériaux, et ses collaborateurs ont dirigé le développement en 2004 de la détection de contrainte pour la surveillance de l'intégrité structurelle au niveau macro en utilisant les propriétés électriques des nanofilms de carbone - des réseaux/ensembles denses de nanotubes. Depuis lors, il a continué à étudier de nouvelles méthodes de détection de contrainte à l'aide de divers nanomatériaux.
Mais c'est par chance que Weisman et Nagarajaiah assistent au même atelier de la NASA en 2010. Là, Weisman a donné une conférence sur la fluorescence des nanotubes. Comme un vol de fantaisie, il a dit, il a inclus une illustration d'un système hypothétique qui utiliserait des lasers pour révéler les contraintes dans l'aile nano-revêtue d'une navette spatiale.
« Je suis allé le voir après et lui ai dit :'Bruce, savez-vous que nous pouvons réellement essayer de voir si cela fonctionne ?'", se souvient Nagarajaiah.
La fluorescence des nanotubes montre de grandes, des décalages de longueur d'onde prévisibles lorsque les tubes sont déformés par traction ou compression. La peinture -- et donc chaque nanotube, autour de 50, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain - subirait la même tension que la surface sur laquelle il est peint et donnerait une image claire de ce qui se passe en dessous.
"Pour un avion, les techniciens appliquent généralement des jauges de contrainte conventionnelles à des emplacements spécifiques sur l'aile et la soumettent à des tests de vibration de force pour voir comment elle se comporte, " a déclaré Nagarajaiah. " Ils ne peuvent le faire qu'au sol et ne peuvent mesurer qu'une partie d'une aile dans des directions et des emplacements spécifiques où les jauges de contrainte sont câblées. Mais avec notre technique sans contact, ils pouvaient viser le laser à n'importe quel point de l'aile et obtenir une carte de contrainte dans n'importe quelle direction."
Le professeur Bruce Weisman de l'Université Rice a présenté l'idée de la peinture de contrainte pour trouver les faiblesses des matériaux avec cette diapositive d'une présentation à la NASA en 2010. (Crédit :Bruce Weisman/Université Rice)
Il a déclaré que la peinture de contrainte pourrait être conçue avec des propriétés multifonctionnelles pour des applications spécifiques. "Cela peut aussi avoir d'autres avantages, " Nagarajaiah a déclaré. "Ce peut être un film protecteur qui empêche la corrosion ou pourrait améliorer la résistance du matériau sous-jacent."
Weisman a déclaré que le projet nécessitera un développement plus poussé du revêtement avant qu'un tel produit puisse être mis sur le marché. « Il va falloir optimiser les détails de sa composition et de sa préparation, et trouver la meilleure façon de l'appliquer sur les surfaces qui seront surveillées, ", a-t-il déclaré. "Ces problèmes de fabrication / d'ingénierie doivent être résolus pour garantir des performances correctes, avant même de commencer à travailler sur des instruments de lecture portables."
"Il y a aussi des subtilités sur la façon dont les interactions entre les nanotubes, l'hôte polymère et le substrat affectent la reproductibilité et la stabilité à long terme des décalages spectraux. Pour les mesures du monde réel, ce sont des considérations importantes, ", a déclaré Weisman.
Mais aucun de ces problèmes ne semble insurmontable, il a dit, et la construction d'un lecteur optique de contrainte portable devrait être relativement simple. « Il existe déjà des spectromètres infrarouges assez compacts qui pourraient fonctionner sur batterie, " a déclaré Weisman. " Des lasers et des optiques miniatures sont également facilement disponibles. Cela ne nécessiterait donc pas l'invention de nouvelles technologies, juste en combinant des composants qui existent déjà.
"Je suis convaincu que s'il y avait un marché, l'équipement de lecture pourrait être miniaturisé et emballé. Ce n'est pas de la science-fiction."
