Les « matériaux d'anneau d'humeur » pourraient jouer un rôle important dans la minimisation et l'atténuation des dommages causés aux infrastructures défaillantes du pays.

L'American Society of Civil Engineers a estimé que plus de 3 600 milliards de dollars d'investissements seraient nécessaires d'ici 2020 pour réhabiliter et moderniser les infrastructures défaillantes du pays. Le président élu Donald Trump a promis de mettre en place un programme d'amélioration des infrastructures de 1 000 milliards de dollars lorsqu'il prendra ses fonctions.

Un élément important de tout effort de modernisation sera le développement de méthodes nouvelles et améliorées pour détecter les dommages dans ces structures avant qu'ils ne deviennent critiques. C'est là qu'interviennent les « matériaux d'anneau d'humeur ».

Saupoudrez une poussière de lutin de nanoparticules dans un lot de résine polymère transparente et vous obtenez "un matériau intelligent qui change de couleur lorsqu'il est endommagé ou sur le point de tomber en panne, ce que j'appelle un "matériel de bague d'humeur, '", a expliqué Cole Brubaker, un étudiant au doctorat en génie civil qui fait partie d'une équipe de recherche interdisciplinaire au Laboratoire pour l'intégrité et la fiabilité des systèmes de l'Université Vanderbilt (LASIR) développant le nouveau système de détection.

Les technologies de détection intelligente sont l'un des nouveaux domaines en vogue dans le domaine civil, génie mécanique et aérospatial. Ces efforts se sont généralement concentrés sur le développement de réseaux de capteurs physiques qui sont attachés aux structures d'intérêt. Cependant, cette approche a été entravée par des coûts élevés ainsi que par des exigences en matière d'alimentation et de traitement des données.

Les chercheurs du LASIR adoptent une approche différente en incorporant des nanoparticules fluorescentes dans le matériau lui-même qui réagissent au stress en modifiant leurs propriétés optiques afin de créer un nouveau type de système de détection capable de surveiller ces structures de manière efficace et rentable.

"Actuellement, il y a deux façons de garder tout, des ponts aux avions, en toute sécurité, " a déclaré le directeur du LASIR, Douglas Adams, Daniel F. Flowers Professeur de génie civil et environnemental. « L'une consiste à envoyer des personnes les regarder avec une lampe de poche. Le problème est que cela demande beaucoup de travail et que les personnes ne peuvent pas voir de très petites fissures lorsqu'elles se forment. L'autre consiste à installer des réseaux de capteurs élaborés qui rechercher les petites fissures et les détecter avant qu'elles ne deviennent trop grandes. Le problème est que ces réseaux sont très coûteux et, dans le cas des aéronefs, ajouter beaucoup de poids. "Nous devons donc changer d'une manière ou d'une autre les matériaux que nous utilisons afin qu'ils éclairent ces minuscules fissures."

Les premières études de l'équipe, publié en avril dernier dans les Actes de la conférence SPIE sur les technologies des capteurs et des structures intelligentes pour le génie civil, Systèmes mécaniques et aérospatiaux, ont déterminé que l'ajout d'une infime concentration de nanoparticules spéciales (1 à 5 pour cent en poids) à une matrice polymère optiquement claire produit une signature lumineuse distinctive qui change lorsque le matériau est soumis à une large gamme de charges de compression et de traction.

Le groupe Vanderbilt n'est pas la seule équipe de recherche à utiliser des nanoparticules pour créer des matériaux intelligents, mais ils ont un avantage particulier. Ils utilisent un type particulier de nanoparticule appelé point quantique de lumière blanche. Ces points quantiques sont uniques car ils émettent de la lumière blanche là où d'autres points quantiques n'émettent de la lumière qu'à des longueurs d'onde spécifiques.

Ces boîtes quantiques spéciales ont été découvertes accidentellement en 2005 dans le laboratoire de Sandra Rosenthal, Jack et Pamela Egan Professeur de chimie à Vanderbilt. "Nous essayions de créer les plus petits points quantiques de séléniure de cadmium possibles et, quand nous l'avons fait, nous avons été étonnés de découvrir qu'ils émettent dans un large spectre, " se souvient-elle.

"Les points quantiques de lumière blanche ont des propriétés optiques très uniques par rapport aux autres nanoparticules, " dit Talitha Frecker, un étudiant diplômé en chimie qui participe à l'étude. "La fluorescence de la lumière blanche est un phénomène de surface."

Avance rapide jusqu'en 2013 lorsque Adams a déménagé à Vanderbilt. Lorsqu'il apprit la découverte de Rosenthal, il s'est rendu compte que ses points quantiques étaient conçus sur mesure pour créer des matériaux intelligents :« Quand nous mettons ces nanoparticules dans un matériau, ils observent et réagissent à ce qui se passe autour d'eux."

Maintenant, l'attente d'Adam a été confirmée par la série de tests préliminaires que Brubaker et ses collègues ont menés. Ils ont revêtu des bandes de fibre de verre et d'aluminium avec un revêtement polymère contenant des points quantiques de lumière blanche et les ont soumis à divers degrés de charge externe. Ils ont déterminé que l'intensité du spectre d'émission produit par les points quantiques diminue à mesure que la charge augmente. La chute est la plus importante avec la charge initiale et diminue progressivement à des niveaux de charge plus élevés.

"Le mécanisme est encore un peu flou, mais nous avons démontré que le piégeage de ces points quantiques dans des films polymères ultra-minces sur des surfaces métalliques peut fournir un avertissement préalable lorsque le métal sous-jacent est sur le point de subir des dommages physiques ou chimiques, " a déclaré Kane Jennings, professeur de génie chimique et biomoléculaire, qui participe au projet avec le doctorant Ian Njoroge.

Les chercheurs pensent que les points quantiques émettent de la lumière dans un large spectre car plus de 80% des atomes se trouvent à la surface. Ils savent également que les liaisons entre les atomes de surface et les molécules qui les entourent jouent un rôle essentiel.

"Le résultat final est que la force des émissions de points quantiques nous donne un enregistrement permanent du niveau de stress qu'un matériau a subi, " a déclaré Brubaker.

Dans cette mode, les chercheurs ont vérifié que le matériau peut agir comme un nouveau type de jauge de contrainte qui enregistre en permanence la quantité cumulée de contraintes subies par le matériau auquel il est appliqué.

Dans leurs premières expériences, les ingénieurs ont gardé les charges relativement modestes, moins de 1, 250 livres, bien dans les limites élastiques que les matériaux peuvent supporter sans dommages permanents. Cela leur a fourni une base de référence qu'ils peuvent utiliser pour comparer les résultats qu'ils obtiennent lorsqu'ils passent à des charges plus élevées qui provoquent la défaillance des matériaux.

Les chercheurs savent que les choses se compliqueront à mesure qu'ils augmenteront les contraintes qu'ils appliquent.

Par exemple, dans une série de tests qu'ils ont exécutés avec des cylindres en époxy, qui s'est déformé en forme de tonneau sous compression, ils ont constaté que le spectre d'émission a en fait augmenté, au lieu de diminuer. Ils émettent l'hypothèse que cette augmentation d'émission s'est produite parce que la déformation a en fait rapproché les nanoparticules les unes des autres, de sorte qu'elles étaient plus nombreuses dans la petite zone où elles mesuraient l'émission.

Les chercheurs ont déjà rencontré l'une de ces complications lorsqu'ils ont testé des échantillons de fibre de verre revêtus de surface. Lorsque ces échantillons ont été chargés sous contrainte de traction, le spectre d'émissions a diminué beaucoup comme il l'a fait avec les échantillons d'aluminium jusqu'à ce que la charge atteigne environ 350 livres. Mais ensuite, il a commencé à grimper.

Par l'éclatement et la fissuration provenant des échantillons, ils ont réalisé que c'était à ce moment-là que les fibres individuelles de l'échantillon commençaient à se rompre. Ils émettent l'hypothèse que l'émission a augmenté parce que les points quantiques qui étaient auparavant cachés dans la matrice de fibre de verre ont été exposés lorsque les fibres ont commencé à défaillir. Cela a encore augmenté le nombre de points quantiques dans une zone donnée, entraînant une augmentation du niveau d'émission global.

L'équipe LASIR se rend également compte qu'il y a un autre problème qu'elle devra résoudre pour créer un système pratique de détection des dommages. Les points quantiques souffrent de photo-blanchiment. C'est-à-dire, lorsqu'ils sont exposés à la lumière, ils perdent progressivement leur fluorescence avec le temps. Par conséquent, le matériau doit être à l'abri de la lumière extérieure.

"Nous devons apprendre beaucoup de choses avant de pouvoir créer un matériau intelligent prêt pour des applications dans le monde réel, mais tous les signes sont positifs, " a déclaré Adams. " Certains de nos partenaires commerciaux sont très intéressés, il y a donc de fortes chances qu'il soit adopté s'il fonctionne aussi bien que nous le pensons. "