211service.com
Lichtgevend rubber kan structurele schade detecteren
Onderzoekers van Princeton University hebben een nieuw type sensor gebouwd waarmee ingenieurs snel de gezondheid van een gebouw of brug kunnen beoordelen. De sensor is een organische laser, afgezet op een stuk rubber: wanneer hij wordt uitgerekt, bijvoorbeeld door de vorming van een scheur, verandert de kleur van het licht dat hij uitstraalt.
Het idee kwam voort uit het idee dat het misschien mogelijk is om grote constructies zoals bruggen te bedekken met een huid die je kunt gebruiken om vervorming van de constructie op afstand te detecteren, zegt Sigurd Wagner , hoogleraar elektrotechniek aan de Princeton University, die de rekbare lasersensor ontwikkelde met en Patrick Görrn, een onderzoeker aan Princeton. Het werk is vorige maand gepubliceerd in Geavanceerde materialen .
Al meer dan tien jaar hebben onderzoekers manieren onderzocht om dichte arrays van sensoren te maken die grote gebieden kunnen bestrijken. Sensing skins zijn vooral intrigerend voor civiel ingenieurs, die weten hoe belangrijk het is om schade aan infrastructuur te detecteren, zodat rampen zoals de ineenstorting van een brug in Minneapolis in 2007 kunnen worden voorkomen. Er is echt een cruciale behoefte om betere sensoren te ontwikkelen die kunnen worden toegepast op infrastructuursystemen, zegt Jerome Lynch , hoogleraar civiele techniek en milieutechniek aan de Universiteit van Michigan.
Traditionele reksensoren meten eenvoudig de spanning langs een bepaalde lijn. Een dergelijke sensor is een draad die de weerstand verandert wanneer deze onder spanning staat. Een ander type is een optische vezel die spanning aangeeft wanneer licht dat aan één uiteinde wordt geïnjecteerd, wordt verstrooid door een defect in de structuur. Maar het probleem is dat als de schade tussen de sensoren optreedt, het moeilijk te detecteren is, zegt Branko Glisic , een professor in civiele en milieutechniek aan Princeton die niet direct betrokken was bij het project.
Een rekbare laser zou dit probleem kunnen oplossen door meer oppervlakte te bestrijken dan draden of glasvezel. Om het apparaat te maken, werd een vel rekbaar materiaal genaamd polydimethylsiloxaan (PDMS) speciaal geprepareerd zodat het een golvend oppervlak had. Vervolgens spinden de onderzoekers een vloeibaar mengsel van organische moleculen op het golvende oppervlak. Wanneer een ultraviolette laser op de organische laag schijnt (een methode om een laser van stroom te voorzien die optisch pompen wordt genoemd), stimuleert het de emissie van fotonen door de organische moleculen. Lasing treedt op omdat het golvende oppervlak werkt als een diffractierooster, dat het licht tussen de golven weerkaatst, waardoor het signaal effectief wordt versterkt.
De moleculen zenden normaal zichtbaar rood licht uit, maar wanneer het rubberen oppervlak wordt uitgerekt of samengedrukt, verandert de kleur van het uitgestraalde licht. Door het rubber 2,2 procent van zijn lengte uit te rekken, konden de onderzoekers de kleur van het licht veranderen. Een lichtdetector zou een verschil van ongeveer vijf nanometer opmerken tussen de begin- en eindgolflengte van het uitgestraalde licht. Dit kan verband houden met kleine veranderingen in de spanning binnen een structuur, legt Wagner uit. Het is zeer gevoelig, en dat is het voordeel, zegt hij. In veel gevallen zouden bouw- of civiel ingenieurs graag een beginnend defect zien, geen zichtbare scheur; en ze zouden graag een sensor willen hebben die in staat is tot die gevoelige meting.
Het optisch pompen van de rekbare laserhuid kan een voordeel zijn voor het systeem. Het kan de installatiekosten verlagen, omdat er geen draden voor nodig zijn. Het zou ook betekenen dat een ingenieur op een afstand van een structuur zou kunnen staan, ultraviolet licht op het oppervlak van de voelende huid zou kunnen laten schijnen om kleine veranderingen in spanning te detecteren.
Het concept zou een cruciale niche in structurele gezondheid kunnen vullen, zegt Lynch. De aanpak lijkt nieuw en het is interessant wat voor soort resultaten de technologie zou kunnen opleveren wanneer deze in de echte wereld wordt ingezet. Lynch ontwikkelt detectiehuiden met een groot oppervlak die afhankelijk zijn van lagen koolstofnanobuisjes en andere organische moleculen om onder meer spanning, scheuren en corrosie te detecteren.
Wagner zegt dat zijn prototype nog moet worden verfijnd. Terwijl de PDMS-platen een grote afstand kunnen uitrekken, vallen de organische lagen weg als ze te ver worden verlengd. Het oplossen van dit probleem zal waarschijnlijk neerkomen op het testen van verschillende soorten lichtemitterende moleculen en het vinden van een manier om ze beter aan het PDMS te bevestigen. We weten de experimenten te doen, zegt hij. We hebben het magische recept alleen nog niet gevonden.