Новым способом минимизации ущерба от неисправностей в различных конструкциях может стать разработка усовершенствованных методов для обнаружения повреждений до того момента как они становятся критическими. И в этом на помощь могут прийти материалы, которые меняют цвет при их повреждении.

Добавление специальных наночастиц в прозрачную полимерную смолу приводит к созданию умного материала, который меняет цвет при повреждении или же когда его состояние близко к разрушению. Такие материалы и назвали «материалами с изменчивым характером» (англ. «mood ring materials», дословно – материалы для кольца настроения, которое меняет цвет в зависимости от температуры человека) объяснил Коул Брубэкер, докторант в лаборатории систем надежности (LASIR) университета Вандербильта (Vanderbilt University). 

Материал меняет цвет в ответ на механическое воздействие.

Интеллектуальные технологии мониторинга являются в настоящее время одними из самых изучаемых вопросов в гражданской, механической и аэрокосмической технике. Эти вопросы в основном решаются разработкой сетей физических датчиков, которые прикрепляются к представляющим интерес конструкциям. Но данный подход имеет недостатки в виде высокой стоимости оборудования и сложной обработки полученных данных.

Исследователи LASIR пошли другим путем и включают люминесцентные наночастицы в сам материал, которые реагируют на механическое воздействие изменением своих оптических свойств. Такой подход позволяет создать новый тип системы мониторинга, которая является эффективной и экономически выгодной.

«В настоящее время существуют два способа, чтобы поддерживать все инфраструктурные объекты, от мостов до воздушных судов, в безопасности», – говорят исследователи. – «Один из них, когда люди постоянно проводят непосредственный осмотр конструкций. Проблема с этим состоит в том, что данный способ является трудоемким и люди не могут видеть очень маленькие трещины. Другой способ заключается во внедрении в контролируемый объект сложных сетей датчиков, которые непрерывно оценивают состояние конструкции и ищут небольшие трещины и обнаруживают их до того как они становятся слишком большими и начинают сказываться на безопасности конструкции. Проблема состоит в том, что такие сети являются очень дорогими и, в случае воздушных судов, добавляют много веса. Поэтому нам нужно каким-то образом изменить материалы, которые мы используем, чтобы выявить эти крошечные трещины.»

Первоначальные исследования команды, показали, что добавление крошечных концентраций специальных наночастиц (от 1 до 5 процентов по массе) к оптически прозрачной полимерной матрице приводит к характерному изменению оптических свойств материала при воздействии на него широкого спектра сжимающих и растягивающих нагрузок.

Группа исследователей из университета Вандербильта не единственные кто использует наночастицы для создания «умных» материалов, но у них есть преимущество. Они используют особый тип наночастиц, называемый квантовая точка белого света. Эти квантовые точки являются уникальными, поскольку они излучают белый свет там, где другие квантовые точки только излучают свет на определенных длинах волн.

Эти специальные квантовые точки были случайно обнаружены в 2005 году в университете Вандербильта в ходе изучения квантовых точек на основе селенида кадмия.

Квантовые точки белого света обладают уникальными оптическими свойствами по сравнению с другими наночастицами, поскольку свечение белого света является поверхностным явлением. Когда такие наночастицы помещают в материал, то они реагируют на то, что происходит вокруг них.

В ходе предварительных испытаний стекловолокно и алюминиевые полосы покрывали полимерным покрытием, содержащим квантовые точки белого света, и подвергали их внешним нагрузкам различной интенсивности. Они установили, что интенсивность спектра излучения, испускаемого квантовыми точками, уменьшается по мере увеличения нагрузки.

График показывает, что спектр белого света квантовых точек в эпоксидной смоле на алюминиевых полосах уменьшается при увеличении растягивающей нагрузки на полосе. (LASIR Lab / Vanderbilt)

«В механизме явления еще много неясного, но мы показали, что добавление этих квантовых точек в ультратонкие полимерные покрытия на металлических поверхностях может обеспечить заблаговременное предупреждение, когда основной металл получает какое-либо повреждение,» – сказали исследователи.

Исследователи полагают, что квантовые точки излучают свет в широком спектре, потому что более чем 80 процентов атомов лежат на поверхности. Они также знают, что связь между поверхностными атомами и окружающими их молекулами играет решающую роль.

Таким образом, исследователи подтвердили, что материал может выступать в качестве нового вида тензодатчика, который постоянно регистрирует механическое воздействие на него.

Исследователи столкнулись и с рядом сложностей. Например, в ряде тестов эпоксидные цилиндры при сжатии деформировались в бочкообразную форму, а спектр излучения фактически увеличивался, а не уменьшался. Исследователи предполагают, что это произошло потому, что деформация сдавливала наночастицы ближе друг к другу и их концентрация в области деформации возрастала.

Кроме этого есть еще одна проблема, которую они должны будут решить, чтобы сделать работоспособную систему обнаружения повреждений. Квантовые точки страдают от засветки. То есть, когда они подвергаются воздействию света, они постепенно уменьшают свечение с течением времени. В результате, такой материал должен быть защищен от внешнего света.

«Существует много проблем, которые необходимо решить, прежде чем мы сможем создать "умный» материал, который готов к реальным приложениям, но тенденция положительна," – говорят исследователи.