Jak działa ten inteligentny materiał? Prosty mechanizm o złożonych możliwościach
Podstawą wynalazku jest specjalny związek chemiczny, który w standardowych warunkach emituje żółto-zieloną poświatę. Pod wpływem obciążenia mechanicznego dochodzi do zmiany jego struktury molekularnej, co skutkuje wyraźną zmianą barwy na czerwoną. Materiał charakteryzuje się też silną luminescencją: po naświetleniu promieniami UV emituje własne światło.
Profesor Konrad Szaciłowski z AGH wyjaśnia mechanizm w prosty sposób:
Każda cząsteczka zawiera jeden zamek i dwa klucze lub odwrotnie, czyli jest zbudowana z kilku modułów, które wzajemnie do siebie pasują i są rozseparowane. W krysztale mamy taką sytuację, że zamek z jednej cząsteczki pasuje do klucza z drugiej
Czytaj też: Najdokładniejszy zegar świata. NIST pobił rekord precyzji pomiaru czasu
Gdy kryształy ulegają mechanicznemu uszkodzeniu, cząsteczki przemieszczają się względem siebie. Pierwotne połączenia ulegają zerwaniu, tworząc nowe konfiguracje. To właśnie powoduje zmianę koloru. Co istotne, proces jest odwracalny, ponieważ po dodaniu rozpuszczalnika materiał wraca do stanu wyjściowego. Najbardziej oczywistym wykorzystaniem technologii wydaje się monitorowanie stanu konstrukcji budowlanych. Nanorurki węglowe mogłyby posłużyć jako dodatek do farb, tworząc powłoki sygnalizujące naprężenia. W przeciwieństwie do konwencjonalnych czujników elektronicznych, takie rozwiązanie nie wymagałaby zasilania ani skomplikowanej konserwacji.
Technologia mogłaby znaleźć zastosowanie w obiektach o mniejszym natężeniu ruchu, gdzie zużycie nie jest równomierne. Mowa o kładkach dla pieszych, leśnych pomostach czy prywatnych konstrukcjach, gdzie rzadsza eksploatacja utrudnia wczesne wykrywanie usterek. Potencjał wykracza jednak poza budownictwo. Materiał mógłby służyć inżynierom pracującym nad prototypami urządzeń czy robotami, wizualizując rozkład sił w czasie rzeczywistym. W sektorze kosmicznym takie rozwiązanie mogłoby poprawić bezpieczeństwo poprzez wczesne wykrywanie uszkodzeń w statkach kosmicznych lub stacjach orbitalnych.
Międzynarodowa współpraca przyniosła świetne efekty
Mimo obiecujących właściwości, technologia wciąż znajduje się w początkowej fazie rozwoju. Trudno przewidzieć, czy materiał będzie wystarczająco trwały w realnych warunkach atmosferycznych i czy jego produkcja okaże się opłacalna. Kolejnym wyzwaniem będzie opracowanie standardów interpretacji zmian koloru. Jak dokładnie określić, kiedy naprężenie staje się niebezpieczne? Konwencjonalne czujniki dostarczają precyzyjnych danych liczbowych, podczas zmiana barwy wymagałaby starannej kalibracji i interpretacji.
W ogólnym rozrachunku projekt demonstruje natomiast wartość współpracy między różnymi ośrodkami badawczymi. Synteza związku odbyła się w Japonii, badania spektroskopowe przeprowadzono w Indiach, a polscy naukowcy zajęli się modelowaniem teoretycznym i interpretacją wyników.
Czytaj też: W Dubaju powstaje gigantyczny budynek. Jako pierwszy przebije wysokość 1000 metrów
To właśnie połączenie kompetencji – syntezy w Japonii, spektroskopii w Indiach i modelowania molekularnego w Polsce – sprawiło, że udało się stworzyć coś, co może mieć realny potencjał wdrożeniowy – zauważają polscy badacze
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Journal of Luminescence, gdzie szczegółowo opisano właściwości materiału. W AGH planowane są kolejne projekty badawcze nad materiałami reagującymi na różne czynniki, w tym ciśnienie i przewodnictwo elektryczne. Prace te mogą mieć znaczenie dla rozwoju technologii neuromorficznych i sztucznych synaps. W świecie, w którym wciąż dochodzi do nieprzewidzianych katastrof budowlanych, każde rozwiązanie poprawiające bezpieczeństwo zasługuje na uwagę.