W urządzeniach takich jak silniki, kotły hutnicze, konstrukcje techniczne - np. w częściach maszyn, budynków czy mostów - każda zmiana naprężenia w materiale może świadczyć o tym, że element jest uszkodzony, osłabiony, psuje się. Jeśli więc ciśnienie bądź naprężenie w danym miejscu rośnie, może to zwiastować, że wkrótce dany element się złamie, pęknie, rozszczelni czy nawet wybuchnie. A takie uszkodzenie może być nie tylko trudno naprawić, ale może zagrażać bezpieczeństwu osób w otoczeniu tej konstrukcji. Dobrze by było więc mieć wcześniej informację o tym, że jakiś element zaczyna się psuć.

Dlatego prof. Łukasz Marciniak wspólnie z doktorantką Mają Szymczak z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN opracowali nową metodę pomiaru ciśnienia za pomocą zaprojektowanych przez siebie materiałów luminescencyjnych.

Rozwiązanie polegać ma na tym, że pokrywamy element konstrukcyjny farbą czy lakierem, które zawierają nanomateriały luminescencyjne. Farba oświetlona odpowiednim światłem zaczyna świecić, a kolor (dokładniej: jego widmo emisji) zmienia się wraz z ciśnieniem w danym miejscu. Prawidłowo pracująca konstrukcja będzie więc po oświetleniu świeciła np. na czerwono, a miejsce uszkodzenia w materiale - będzie świeciło choćby na zielono.

Materiał może być tak zaprojektowany, żeby zmianę było widać nawet gołym okiem, ale dokładną mapę rozkładów ciśnienia w konstrukcji uzyskać można robiąc powierzchni dwa zdjęcia zwykłym smartfonem i porównując je przy użyciu prostej aplikacji do analizy zdjęć.

"Nasze rozwiązanie może pracować w trybie ciągłym i zdalnie. Nie trzeba podłączać do badanej konstrukcji obwodów elektrycznych, zasilania. Jeśli skierujemy na dany element kamerę, możemy w trybie ciągłym, bez zatrzymywania urządzenia, analizować rozkład ciśnień w badanym układzie. W czasie rzeczywistym dowiadujemy się, gdzie pojawiają się uszkodzenia. To nie tylko zmniejszy koszty diagnostyki, ale przede wszystkim umożliwi szybką diagnostykę" - opisuje prof. Marciniak w rozmowie z portalem Nauka w Polsce.

Tłumaczy, że tzw. manometria luminescencyjna, czyli pomiar ciśnienia za pomocą analizy spektralnej światła emitowanego przez dany materiał, jest znana od lat. "Gdybyśmy jednak chcieli konwencjonalnie badać naprężenia, byłoby to czasochłonne i uciążliwe" - mówi prof. Marciniak.

Jak opisuje, odczyt ciśnienia wykonywany był dotąd punktowo, nie było więc widać rozkładu ciśnień na całej badanej powierzchni. A w dodatku luminescencja zmieniała się nie tylko w odpowiedzi na zmiany ciśnienia, ale i zmiany temperatury. A to przy odczycie ciśnienia dodatkowy kłopot.

"My zaproponowaliśmy metodę, która zmienia paradygmat pomiaru: dokonujemy odczytu ratiometrycznego - analizujemy stosunek intensywności luminescencji sygnałów w dwóch zakresach spektralnych. Fotografujemy więc obiekt z użyciem jednego filtra, potem drugiego, dzielimy oba zdjęcia przez siebie i otrzymujemy mapę rozkładu ciśnienia"- mówi naukowiec i dodaje, że wystarczy do tego zwykły smartfon.

To coś zupełnie nowego. "Stosunek intensywności dwóch zakresów spektralnych dla opracowanych przez nas materiałów jest mało wrażliwy na zmiany temperatury. Dzięki temu zyskujemy dużą precyzję i czułość odczytu. A temperatura w badanym obiekcie nie wpływa na pomiar" - dodaje badacz.

Badacze opracowali luminofory (czyli substancje chemiczne, które po odpowiednim wzbudzeniu emitują światło), które wykorzystują spektralne przesunięcie szerokiego pasma emisji (tzn. ich kolor wyraźnie się zmienia wraz z ciśnieniem). "Nasz materiał pobił rekord świata - charakteryzuje się przesunięciem długości fali emitowanego światła rzędu ponad 23 nm na gigapaskal". (Można przyjąć, że światło czerwone od żółtego różni się długością fali o ok. 100 nm).

W dodatku nanomateriały można zaprojektować specjalnie z myślą o danym zastosowaniu. "Kolory luminescencji mogą być wykalibrowane na odpowiednie ciśnienia" - zaznacza naukowiec. Jeśli więc konstruktorzy uznają np. że wzrost ciśnienia z 1 do 2 gigapaskali wymaga uwagi, to można będzie opracować farbę, która właśnie na taką zmianę odpowie wyraźną zmianą koloru.

"Od lat zajmuję się termometrią luminescencyjną. Opracowywaliśmy materiały, które zmieniają emisję w zależności od temperatury. Uświadomiłem sobie wtedy, że nie ma możliwości analogicznego obrazowania ciśnienia w dwóch wymiarach. A to by było przydatne w inżynierii. Dlatego opracowaliśmy zupełnie nową technikę odczytu ciśnienia i znaleźliśmy materiały, które odpowiadają założeniom. Dzięki temu w jednej chwili widać będzie mapę rozkładu ciśnienia" - opisuje prof. Marciniak.

Zaproponowane przez Polaków nanomateriały domieszkowane są chromem 3+. Wraz z ciśnieniem zmieniają się odległości między jonami materiału i zmienia się siła pola krystalicznego, co ma wpływ na kolor emisji. Wyniki badań opisano w Chemical Engineering Journal. (PAP)

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala 

lt/ bar/