'پوست هوشمند' کشف تنش در ساختارها را ساده می‌کند

این اختراع می‌تواند از نانو لوله‌های کربنی تابان استفاده کند تا استرس‌ها را در ساختار هواپیما نشان دهد
 
تاریخ: 15 نوامبر 2018
 
منبع: دانشگاه رایس
 
 

 

 
توضیح تصویر: نقشه‌های تنشی آزمایشی (سمت چپ) و شبیه سازی شده (راست) در اطراف یک سوراخ ایجاد شده در یک شمش آلومینیوم نشان می‌دهد که "پوست هوشمند" ساخته شده توسط نانو لوله‌ها در دانشگاه رایس می‌تواند به طور موثر تنش را در مواد ارزیابی کند. این تکنیک می‌تواند برای هوا پیما، فضا پیما و زیرساخت‌های حیاتی‌ای مورد استفاده قرار گیرد که در آنها لازم است فشار مکانیکی مورد بررسی قرار گیرد.
    

به لطف یک ویژگی خاص از نانو لوله‌های کربنی، مهندسین به زودی قادر خواهند بود که فشار انباشته شده را در یک هواپیما، یک پل یا یک خط لوله - و یا تقریبا در مورد هر چیزی - اندازه گیری کنند چه در سطح کل یا در سطح میکروسکوپی باشد. پوست هوشمند از ویژگی‌های منحصر به فرد تابندگی نانو لوله‌های کربن به منظور بررسی سریع تنش در مواد استفاده می‌کند. این روش برای هواپیماها، فضاپیماها و زیرساخت‌های حیاتی‌ای در نظر گرفته شده است که در آنها فشار مکانیکی باید مورد بررسی قرار گیرد.
 
آنها این کار را با تاباندن نور به ساختارهای پوشش داده شده با یک فیلم دو لایه نانو لوله و پلیمر محافظ انجام می‌دهند. فشار در سطح به صورت تغییراتی در طول موج‌های نور نزدیک مادون قرمز منتشر شده از فیلم نشان داده خواهد شد و توسط یک ریدر کوچک گرفته شده و ضبط می‌شود. نتایج به مهندسان و کارکنان تعمیر و نگهداری نشان می‌دهد که آیا ساختارهایی مانند پل‌ها یا هواپیماها با وقایع ناشی از استرس یا سایش و پارگی معمولی تغییر کرده‌اند یا نه.
 
شبیه یک پیراهن سفید تحت یک نور ماوراء بنفش، نانو لوله‌های کربنی تک دیواره تابان می‌شوند، و این خاصیتی است که شیمی دان بروز وِیزمن آن را در آزمایشگاه رایس در سال 2002 کشف کرد. چند سال بعد در یک پروژه تحقیقاتی اساسی، گروه نشان داد که کشش یک نانولوله باعث تغییر رنگ فلورسانس آن می‌شود.
 
هنگامی که نتایج وِیزمن به مهندس شهرداری و محیط زیست رایس رسید، ساتیس نگارجیا - که به طور مستقل در ایده‌های مشابه با استفاده از طیف سنجی رامان اما در مقیاس بزرگ از سال 2003 کار می‌کرد، پیشنهاد داد که همکاری کند تا این پدیده علمی را به یک مفهوم فن آورانه برای سنجش فشار تبدیل کند.
 
در حال حاضر، نگارجیا و ویزمن دو مقاله مهم در مورد کار خود روی پروژه "پوست هوشمند" منتشر کرده‌اند. در یک پروژه تحقیقاتی اساسی، گروه نشان داد که کشش یک نانولوله باعث تغییر رنگ فلورسانس آن می‌شود.
 
این روش، یک راه نشست دادن یک فیلم حسگر نانو لوله میکروسکوپی جدا از لایه فوقانی محافظ را توصیف می‌کند. تغییر رنگ در انتشار نور نانو لوله‌ها نشان دهنده میزان فشار در ساختار زیر لایه است. محققان می‌گویند این امر امکان نقشه برداری دو بعدی از تنش انباشته را فراهم می‌کند که نمی‌توان با استفاده از روش‌های غیر تماسی دیگر به دست آورد.
 
مقاله دوم، در مجله مهندسی سازه، جزئیات نتایج آزمایش پوست هوشمند بر روی نمونه‌های فلزی دارای بی نظمی‌هایی است که اغلب محل فشار یا کشیدگی هستند.
 
وِیزمن گفت: "این پروژه به عنوان علم محض در زمینه طیف سنجی نانو لوله آغاز شد و منجر به کار مشترک اثبات اصل شد که نشان داد ما می‌توانیم تنش زیر لایه را با بررسی طیف فیلم در یک مکان اندازه گیری کنیم." "این پیشنهاد کرد که این روش می‌تواند برای اندازه گیری کلیه سطوح گسترش یابد. آنچه که اکنون نشان داده‌ایم بسیار نزدیک به حالت کاربردی آن است."
 
از زمان گزارش اولیه، محققان ترکیب و تهیه فیلم و برنامه کاربردی آن را به صورت فوری طراحی کرده‌اند و همچنین دستگاه‌های اسکنری را ایجاد کرده‌اند که به طور خودکار اطلاعات را از نقاط برنامه ریزی شده ضبط می‌کنند. بر خلاف سنسورهای معمولی که تنها در یک نقطه در یک محور اندازه گیری می‌کنند، فیلم هوشمند می‌تواند به طور انتخابی مورد بررسی قرار گیرد تا فشار در هر جهت و مکان مشخص شود.
 
این فیلم دو لایه تنها چند میکرون ضخیم است، که به اندازه کسری از عرض یک موی انسان است و به سختی در سطح شفاف قابل مشاهده است. نگارجیا گفت: "در فیلم های اولیه ما، سنسورهای نانو لوله در پلیمر مخلوط شده‌اند." "اکنون که ما حسگرها و لایه‌های محافظ را از هم جدا کرده‌ایم، تابندگی نانو لوله‌ها واضح‌تر شده و ما می‌توانیم با وضوح بسیار بیشتری اسکن کنیم. این به ما امکان می‌دهد تا مقدار قابل توجهی اطلاعات را به سرعت جمع آوری کنیم."
 
محققان پوست هوشمند را بر روی شمش‌های آلومینیومی تحت تنش با یک سوراخ یا یک شکاف آزمایش کرده‌اند تا مکان‌هایی را که در آن فشارها متمایل به ساخت هستند را نشان دهند. اندازه گیری این نقاط ضعف بالقوه در حالت بدون فشار و سپس پس از اعمال تنش نشان داد تغییرات قابل توجهی در الگوهای فشار وجود دارد که با نقشه برداری از نقطه به نقطه و سپس کنار هم قرار دادن آنها به دست می‌آید.
 
نگارجیا گفت: "ما آن مناطق با استرس زیاد از ساختار را به عنوان نقاط بالقوه شکست می‌شناسیم." "ما می توانیم این مناطق را با فیلم پوشش دهیم و آنها را در حالت سالم تماشا کنیم و سپس پس از یک رویداد مانند زلزله، به عقب برگردیم و دوباره بررسی کنیم تا ببینیم آیا توزیع کرنش تغییر کرده و ساختار در معرض خطر است یا نه."
 
محققان در آزمایش‌های خود گفتند که نتایج اندازه گیری شده نزدیک به الگوهای شبیه سازی شده حاصل از شبیه سازی‌های پیشرفته محاسباتی است. نگارجیا گفت که خواندن از طریق پوست هوشمند به آنها امکان می‌دهد تا سریعا الگوهای مشخص در نزدیکی مناطق پر تنش را بیابند. آنها همچنین توانستند مرزهای روشن بین مناطق کششی و فشرده را ببینند.
 
ویزمن گفت: "ما نقطه‌ها را در فاصله‌های 1 میلیمتری از هم اندازه گیری کردیم، اما ما می توانیم در صورت لزوم بدون آسیب رساندن به حساسیت فشار، فاصله‌های جدایی را 20 برابر کوچکتر کنیم." وی گفت که این یک جهش فراسوی سنسورهای فشار استاندارد است که فقط قرائت را به طور متوسط ​​روی بیش از چند میلی متر ارائه می‌دهند. خواندن از طریق پوست هوشمند به آنها امکان می‌دهد تا سریعا الگوهای مشخص در نزدیکی مناطق پر تنش را بیابند.
 
محققان، تکنولوژی خود را در امر درگیر شدن در برنامه‌های کاربردی کوچک مانند تست توربین‌ها در موتورهای جت یا عناصر ساختاری در مراحل تکامل خود می‌دانند. ویزمن گفت: "این روش در حال حاضر قصد جایگزینی فوری تمام فن آوری‌های موجود برای اندازه گیری فشار را ندارد." "فن آوری‌ها بسیار تثبیت شده هستند و اینرسی بسیار زیادی دارند."
 
او گفت: "اما این روش مزایایی دارد که وقتی روش‌های دیگر نمی‌توانند کار را انجام دهند مفید خواهد بود." "من انتظار دارم که در برنامه های تحقیقی مهندسی، و در طراحی و آزمایش ساختارها قبل از این که در این زمینه مستقر شوند، استفاده شود."
 
با پالودن پوست هوشمند خود، محققان در حال کار روی توسعه نسل بعدی خواننده فشار هستند که یک دستگاه دوربین مانند است که می‌تواند الگوهای تنش را روی یک سطح بزرگ به صورت بلافاصله عکس بگیرد.
 
منبع گزارش:
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه رایس.
 
بر گرفته از سایت ساینس دِیلی
 

مترجم: علی رضایی میر قائد