211service.com
Ljusemitterande gummi kan känna av strukturella skador
Forskare vid Princeton University har byggt en ny typ av sensor som kan hjälpa ingenjörer att snabbt bedöma hälsan hos en byggnad eller bro. Sensorn är en organisk laser, avsatt på ett gummiark: när den sträcks – till exempel genom att det bildas en spricka – ändras färgen på ljuset som den avger.
Idén kom från föreställningen att det kanske är möjligt att täcka stora strukturer som broar med en hud som du kan använda för att upptäcka deformation av strukturen på avstånd, säger Sigurd Wagner , professor i elektroteknik vid Princeton University, som utvecklade den töjbara lasersensorn tillsammans med Patrick Görrn, forskare vid Princeton. Verket publicerades förra månaden i Avancerade material .
I mer än ett decennium har forskare undersökt sätt att göra täta uppsättningar av sensorer som kan täcka stora områden. Sensing skins är särskilt spännande för civilingenjörer, som vet vikten av att upptäcka skador i infrastruktur så att katastrofer som 2007 års kollaps av en bro i Minneapolis kan avvärjas. Det finns verkligen ett kritiskt behov av att utveckla bättre sensorer som kan appliceras på infrastruktursystem, säger Jerome Lynch , professor i civil- och miljöteknik vid University of Michigan.
Traditionella töjningssensorer mäter helt enkelt stress längs en viss linje. En sådan sensor är en tråd som ändrar resistivitet när den är ansträngd. En annan typ är en optisk fiber som indikerar töjning när ljus som injiceras i ena änden sprids av en defekt i strukturen. Men problemet är om skadan uppstår mellan sensorerna - det är svårt att upptäcka, säger Branko Glisic , en professor i civil- och miljöteknik vid Princeton som inte var direkt involverad i projektet.
En sträckbar laser kan lösa detta problem genom att täcka mer yta än ledningar eller fiberoptik. För att tillverka enheten förbereddes ett ark av töjbart material som kallas polydimetylsiloxan (PDMS) speciellt så att det fick en vågig yta. Därefter snurrade forskarna en flytande blandning av organiska molekyler på den vågiga ytan. När en ultraviolett laser lyser på det organiska lagret (en metod för att driva en laser som kallas optisk pumpning), stimulerar den emissionen av fotoner från de organiska molekylerna. Lasring uppstår eftersom den vågiga ytan fungerar som ett diffraktionsgitter, som reflekterar ljuset mellan vågorna, vilket effektivt förstärker signalen.
Molekylerna avger normalt synligt rött ljus, men när gummiytan sträcks eller komprimeras ändrar det färgen på ljuset som sänds ut. Genom att sträcka ut gummit 2,2 procent av dess längd kunde forskarna ändra ljusets färg. En ljusdetektor skulle märka en skillnad på cirka fem nanometer mellan start- och slutvåglängden för utsänt ljus. Detta kan korrelera med små förändringar i spänningen inom en struktur, förklarar Wagner. Det är högkänsligt, och det är fördelen, säger han. I många fall skulle byggnadsingenjörer eller civilingenjörer vilja se begynnande fel, inte en synlig spricka; och de skulle vilja ha en sensor som kan göra den känsliga mätningen.
Optisk pumpning av den töjbara laserhuden kan vara en fördel för systemet. Det kan minska kostnaderna för installationen, eftersom det inte skulle kräva ledningar. Det skulle också betyda att en ingenjör kunde stå på avstånd från en struktur, lysa ultraviolett ljus på ytan av den avkännande huden för att upptäcka små förändringar i spänningen.
Konceptet skulle kunna fylla en kritisk nisch inom strukturell hälsa, säger Lynch. Tillvägagångssättet verkar nytt, och det är intressant vilken typ av resultat tekniken kan ge när den används i den verkliga världen. Lynch utvecklar avkänningsskinn för stora ytor som förlitar sig på lager av kolnanorör och andra organiska molekyler för att känna av spänningar, sprickor och korrosion, bland andra defekter.
Wagner säger att hans prototyp fortfarande behöver finjusteras. Medan PDMS-arken kan sträcka sig en lång sträcka, tappar de organiska lagren av när de dras ut för långt. Att åtgärda detta problem kommer sannolikt att handla om att testa olika typer av ljusemitterande molekyler och hitta ett sätt att bättre fästa dem på PDMS. Vi vet vilka experiment man ska göra, säger han. Vi har bara inte hittat det magiska receptet än.