211service.com
El caucho emisor de luz podría detectar daños estructurales
Investigadores de la Universidad de Princeton han construido un nuevo tipo de sensor que podría ayudar a los ingenieros a evaluar rápidamente la salud de un edificio o puente. El sensor es un láser orgánico, depositado sobre una hoja de caucho: cuando se estira, por la formación de una grieta, por ejemplo, el color de la luz que emite cambia.
La idea surgió de la noción de que tal vez sea posible cubrir grandes estructuras como puentes con una piel que se puede usar para detectar la deformación de la estructura a distancia, dice Sigurd Wagner , profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de Princeton, que desarrolló el sensor láser extensible con Patrick Görrn, investigador de Princeton. El trabajo fue publicado el mes pasado en Materiales avanzados .
Durante más de una década, los investigadores han explorado formas de hacer matrices densas de sensores capaces de cubrir grandes áreas. Las pieles de detección son especialmente interesantes para los ingenieros civiles, que conocen la importancia de detectar daños en la infraestructura para evitar desastres como el colapso de un puente en Minneapolis en 2007. Realmente existe una necesidad crítica de desarrollar mejores sensores que se puedan aplicar a los sistemas de infraestructura, dice Jerome Lynch , profesor de ingeniería civil y ambiental en la Universidad de Michigan.
Los sensores de deformación tradicionales simplemente miden la tensión a lo largo de una línea en particular. Uno de esos sensores es un cable que cambia la resistividad cuando está bajo tensión. Otro tipo es una fibra óptica que indica deformación cuando la luz inyectada en un extremo se dispersa por un defecto en la estructura. Pero el problema es que si el daño ocurre entre los sensores, es difícil de detectar, dice Branko Glisic , profesor de ingeniería civil y ambiental en Princeton que no participó directamente en el proyecto.
Un láser extensible podría resolver este problema cubriendo más área que cables o fibra óptica. Para fabricar el dispositivo, se preparó especialmente una hoja de material estirable llamado polidimetilsiloxano (PDMS) para que tuviera una superficie ondulada. A continuación, los investigadores hicieron girar una mezcla líquida de moléculas orgánicas sobre la superficie ondulada. Cuando se hace brillar un láser ultravioleta sobre la capa orgánica (un método para alimentar un láser llamado bombeo óptico), estimula la emisión de fotones de las moléculas orgánicas. El láser se produce porque la superficie ondulada actúa como una rejilla de difracción, reflejando la luz entre las ondas, amplificando efectivamente la señal.
Las moléculas normalmente emiten luz roja visible, pero cuando la superficie de goma se estira o se comprime, altera el color de la luz que se emite. Al estirar la goma un 2,2 por ciento de su longitud, los investigadores pudieron cambiar el color de la luz. Un detector de luz notaría una diferencia de aproximadamente cinco nanómetros entre las longitudes de onda inicial y final de la luz emitida. Esto podría correlacionarse con pequeños cambios en la tensión dentro de una estructura, explica Wagner. Es muy sensible y esa es la ventaja, dice. En muchos casos, a los ingenieros estructurales o civiles les gustaría ver una falla incipiente, no una grieta visible; y les gustaría tener un sensor capaz de realizar esa medición sensible.
El bombeo óptico de la piel láser estirable podría ser una ventaja para el sistema. Podría reducir el costo de instalación, porque no requeriría cables. También significaría que un ingeniero podría pararse a distancia de una estructura, hacer brillar luz ultravioleta sobre la superficie de la piel sensible para detectar pequeños cambios en la tensión.
El concepto podría llenar un nicho crítico en la salud estructural, dice Lynch. El enfoque parece novedoso y es interesante saber qué tipo de resultados podría producir la tecnología cuando se implementa en el mundo real. Lynch está desarrollando pieles sensoras de gran área que se basan en capas de nanotubos de carbono y otras moléculas orgánicas para detectar tensión, agrietamiento y corrosión, entre otros defectos.
Wagner dice que su prototipo aún necesita ser perfeccionado. Si bien las láminas de PDMS pueden estirarse una gran distancia, las capas orgánicas se desprenden cuando se extienden demasiado. La solución de este problema probablemente se reducirá a probar diferentes tipos de moléculas emisoras de luz y encontrar una manera de fijarlas mejor al PDMS. Conocemos los experimentos a realizar, dice. Simplemente no hemos encontrado la receta mágica todavía.