Des cartes de contrainte expérimentales (à gauche) et simulées (à droite) autour d'un trou à travers une barre d'aluminium montrent que la « peau intelligente » infusée de nanotubes développée à l'Université Rice peut évaluer efficacement la contrainte dans les matériaux. La technique peut être utilisée pour les avions, les engins spatiaux et les infrastructures critiques dans lesquelles les contraintes mécaniques doivent être surveillées. Crédit :Satish Nagarajaiah Group/Weisman Research Group/Rice University
Grâce à une caractéristique particulière des nanotubes de carbone, les ingénieurs pourront bientôt mesurer la contrainte accumulée dans un avion, un pont ou un pipeline - ou à peu près n'importe quoi - sur toute la surface ou jusqu'à des niveaux microscopiques.
Ils le feront en éclairant des structures recouvertes d'un film de nanotubes à deux couches et d'un polymère protecteur. La tension dans la surface apparaîtra sous forme de changements dans les longueurs d'onde de la lumière proche infrarouge émise par le film et capturée par un lecteur portable miniaturisé. Les résultats montreront aux ingénieurs et aux équipes de maintenance si des structures telles que des ponts ou des avions ont été déformées par des événements induisant des contraintes ou par une usure normale.
Comme une chemise blanche sous une lumière ultraviolette, les nanotubes de carbone monoparois sont fluorescents, une propriété découverte en 2002 dans le laboratoire du chimiste Rice Bruce Weisman. Dans un projet de recherche fondamentale quelques années plus tard, le groupe a montré que l'étirement d'un nanotube change la couleur de sa fluorescence.
Lorsque les résultats de Weisman ont attiré l'attention de l'ingénieur civil et environnemental de Rice, Satish Nagarajaiah, qui avait travaillé indépendamment sur des idées similaires en utilisant la spectroscopie Raman, mais à l'échelle macro, depuis 2003 - il a suggéré de collaborer pour transformer ce phénomène scientifique en une technologie utile pour la détection des contraintes.
Maintenant, Nagarajaiah et Weisman et ont publié deux articles importants sur leur projet de "smart skin". Le premier apparaît dans Structural Control &Health Monitoring, et présente la dernière itération de la technologie qu'ils ont révélée pour la première fois en 2012.
Il décrit un procédé de dépôt du film de détection de nanotubes microscopiques séparément d'une couche supérieure protectrice. Les changements de couleur dans l'émission de nanotubes indiquent la quantité de contrainte dans la structure sous-jacente. Les chercheurs affirment que cela permet une cartographie bidimensionnelle de la contrainte accumulée qui ne peut être obtenue par aucune autre méthode sans contact.
Le deuxième papier, dans le Journal of Structural Engineering, détaille les résultats des tests de peau intelligente sur des échantillons métalliques présentant des irrégularités où les contraintes et les contraintes sont souvent concentrées.
"Le projet a commencé comme une science pure sur la spectroscopie des nanotubes, et a conduit au travail collaboratif de preuve de principe qui a montré que nous pouvions mesurer la déformation du substrat sous-jacent en vérifiant le spectre du film en un seul endroit, " Weisman a déclaré. "Cela a suggéré que la méthode pourrait être étendue pour mesurer des surfaces entières. Ce que nous avons montré maintenant est beaucoup plus proche de cette application pratique."
Depuis le premier rapport, les chercheurs ont affiné la composition et la préparation du film et son application à l'aérographe, et a également développé des dispositifs de numérisation qui capturent automatiquement les données de plusieurs points programmés. Contrairement aux capteurs conventionnels qui ne mesurent la contrainte qu'en un point le long d'un axe, le film intelligent peut être sondé de manière sélective pour révéler la tension dans n'importe quelle direction et n'importe quel endroit.
« Smart skin » capable de détecter les contraintes dans les matériaux, inventé à l'Université Rice, commence par les nanotubes de carbone et leur capacité unique à modifier leur fluorescence sous contrainte. Lorsqu'il est attaché à une surface, ils peuvent être utilisés pour surveiller le stress dans le temps grâce à la spectroscopie. Crédit :Satish Nagarajaiah Group/Weisman Research Group/Rice University
Le film bicouche n'a que quelques microns d'épaisseur, une fraction de la largeur d'un cheveu humain, et à peine visible sur une surface transparente. « Dans nos premiers films, les capteurs à nanotubes ont été mélangés au polymère, " a déclaré Nagarajaiah. " Maintenant que nous avons séparé les couches de détection et de protection, l'émission des nanotubes est plus claire et nous pouvons numériser à une résolution beaucoup plus élevée. Cela nous permet de capturer des quantités importantes de données assez rapidement."
Les chercheurs ont testé la peau intelligente sur des barres d'aluminium sous tension avec un trou ou une encoche pour représenter les endroits où la tension a tendance à s'accumuler. La mesure de ces points faibles potentiels dans leur état non contraint, puis à nouveau après application de la contrainte, a montré des changements spectaculaires dans les modèles de déformation reconstitués à partir de la cartographie de surface point par point.
« Nous savons où se trouvent les régions de forte contrainte de la structure, les points de défaillance potentiels, " a déclaré Nagarajaiah. " Nous pouvons enduire ces régions du film et les numériser dans un état sain, et puis après un événement comme un tremblement de terre, revenez en arrière et re-scannez pour voir si la distribution de la contrainte a changé et si la structure est en danger."
Dans leurs tests, les chercheurs ont déclaré que les résultats mesurés correspondaient étroitement aux modèles de déformation obtenus grâce à des simulations informatiques avancées. Les lectures de la peau intelligente leur ont permis de repérer rapidement des motifs distinctifs à proximité des régions à fort stress, dit Nagarajaia. Ils ont également pu voir des limites claires entre les régions de tension de traction et de compression.
"Nous avons mesuré des points distants d'un millimètre, mais on peut aller 20 fois plus petit quand c'est nécessaire sans sacrifier la sensibilité à la déformation, " a déclaré Weisman. C'est un bond par rapport aux capteurs de contrainte standard, qui ne fournissent que des lectures moyennées sur plusieurs millimètres, il a dit.
Les chercheurs voient leur technologie faire ses premiers pas dans des applications de niche, comme tester des turbines dans des moteurs à réaction ou des éléments structurels en phase de développement. « Cela ne remplacera pas tout de suite toutes les technologies existantes pour la mesure des contraintes, " Weisman a dit. " Les technologies ont tendance à être très enracinées et ont beaucoup d'inertie.
"Mais il a des avantages qui s'avéreront utiles lorsque d'autres méthodes ne peuvent pas faire le travail, " dit-il. " Je pense qu'il trouvera son utilité dans les applications de recherche en ingénierie, et dans la conception et les tests des structures avant leur déploiement sur le terrain. »
Avec leur peau intelligente affinée, les chercheurs travaillent au développement de la prochaine génération du lecteur de souches, un appareil semblable à une caméra qui peut capturer des motifs de contrainte sur une grande surface à la fois.
Les co-auteurs des deux articles sont les chercheurs prédoctoraux de Rice Peng Sun et Ching-Wei Lin et le chercheur Sergei Bachilo. Weisman est professeur de chimie, de science des matériaux et de nano-ingénierie. Nagarajaiah est professeur de génie civil et environnemental, de génie mécanique, et de la science des matériaux et de la nano-ingénierie.
