Дослідники з Польщі розробили люмінесцентні наноматеріали, які змінюють колір світла при локальному тиску. Завдяки цьому можна буде дистанційно і безперервно контролювати розподіл напруг у конструкціях і діагностувати, чи не починає в них щось руйнуватися.
У таких пристроях, як двигуни, металургійні котли, технічні конструкції – наприклад, в частинах машин, будівлях або мостах – будь-яка зміна напруги в матеріалі може вказувати на те, що елемент пошкоджений, ослаблений або вийшов з ладу. Отже, якщо тиск або напруга в певному місці зростає, це може означати, що незабаром даний елемент зламається, трісне, потече або навіть вибухне. І таке пошкодження може бути не тільки важко відновити, але й може становити загрозу безпеці людей, які знаходяться поблизу цієї споруди. Тому добре було б заздалегідь мати інформацію про те, що якийсь елемент починає ламатися.
Тому проф. Łukasz Marciniak разом із Майєю Шимчак, аспіранткою з Інституту низьких температур і структурних досліджень Польської академії наук, розробили новий метод вимірювання тиску за допомогою люмінесцентних матеріалів власної розробки.
Вихід полягає в тому, щоб покрити елемент конструкції фарбою або лаком, які містять люмінесцентні наноматеріали. Фарба, освітлена правильним світлом, починає світитися, а колір (точніше, спектр його випромінювання) змінюється залежно від тиску в даному місці. Правильно працююча конструкція при підсвічуванні буде світитися, наприклад, червоним кольором, а місце пошкодження в матеріалі – навіть зеленим.
Матеріал можна спроектувати так, щоб зміну було видно навіть неозброєним оком, але точну карту розподілу тиску в структурі можна отримати, зробивши дві фотографії поверхні звичайним смартфоном і порівнявши їх за допомогою простої фотографії. додаток аналізу.
«Наше рішення може працювати безперервно та дистанційно. Немає необхідності підключати електричні ланцюги чи живлення до тестованої конструкції. Якщо ми направимо камеру на певний елемент, ми зможемо безперервно аналізувати розподіл тиску в тестованій системі, не зупиняючи пристрій. У режимі реального часу ми дізнаємося, де відбувається пошкодження. Це не тільки зменшить вартість діагностики, але, перш за все, дозволить швидко діагностувати”, – описує проф. Марціняк в інтерв’ю порталу Science in Poland.
Воно пояснює, що т. зв Люмінесцентна манометрія, тобто вимірювання тиску за допомогою спектрального аналізу світла, випромінюваного певним матеріалом, відома протягом багатьох років. «Однак, якби ми хотіли перевіряти напруги звичайним способом, це було б трудомістким і громіздким», – каже проф. Марциняк.
Як він описує, зчитування тиску досі проводилося точково, тому розподіл тиску по всій досліджуваній поверхні не було видно. І крім того, світіння змінювалося не тільки у відповідь на зміни тиску, але і на зміни температури. А це додаткова проблема при зчитуванні тиску.
«Ми запропонували метод, який змінює парадигму вимірювання: робимо раціометричний відлік – аналізуємо співвідношення інтенсивності світіння сигналів у двох спектральних діапазонах. Тож фотографуємо об’єкт одним фільтром, потім іншим, розділяємо обидві фотографії. і отримати карту розподілу тиску», – каже науковець і додає, що для цього достатньо простого смартфона.
Це щось абсолютно нове. «Співвідношення інтенсивності двох спектральних діапазонів для розроблених нами матеріалів не дуже чутливе до зміни температури. Завдяки цьому ми отримуємо високу точність і чутливість зчитування. А температура в досліджуваному об’єкті не впливає на вимірювання» – додає дослідник.
Дослідники розробили люмінофори (хімічні речовини, які випромінюють світло при належному збудженні), які використовують спектральний зсув широкої смуги випромінювання (тобто їхній колір помітно змінюється під впливом тиску). «Наш матеріал побив світовий рекорд — він характеризується зрушенням довжини хвилі випромінюваного світла понад 23 нм на гігапаскаль». (Можна припустити, що червоне і жовте світло відрізняються за довжиною хвилі приблизно на 100 нм).
Крім того, наноматеріали можуть бути спеціально розроблені для певного застосування. «Кольори люмінесценції можна відкалібрувати до відповідних тисків», – зазначає вчений. Тож якщо конструктори вирішать, наприклад, що підвищення тиску з 1 до 2 гігапаскалів потребує уваги, можна буде розробити фарбу, яка відреагує на таку зміну чіткою зміною кольору.
«Я багато років займаюся люмінесцентною термометрією. Ми розробляли матеріали, які змінюють випромінювання залежно від температури. Потім я зрозумів, що немає способу аналогічно відобразити тиск у двох вимірах. І це було б корисно в техніці. Тому ми розробили абсолютно нова техніка вимірювання тиску, і ми знайшли матеріали, які відповідають припущенням. Завдяки цьому карта розподілу тиску стане видимою миттєво”, – описує проф. Марциняк.
Запропоновані поляками наноматеріали леговані хромом 3+. З тиском змінюються відстані між іонами матеріалу та змінюється сила кристалічного поля, що впливає на колір випромінювання. Результати дослідження опубліковані в Chemical Engineering Journal. (PAP)
Наука в Польщі, Людвік Томала
lt/bar/
