Ciencias

Un nuevo material de construcción registra su propia historia de estrés mecánico mediante luminiscencia


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A veces, identificar la infraestructura en ruinas es tan difícil como rectificarla. Sin embargo, este proceso se ha simplificado gracias a un nuevo material innovador desarrollado por investigadores de la Universidad de Tohoku.

El material responde a estímulos mecánicos registrando el historial de estrés a través de un efecto luminiscente llamado resplandor. Esta información se almacena durante mucho tiempo y, al aplicar el material a las superficies de las estructuras, los investigadores pueden observar cambios en el resplandor para determinar la cantidad de tensión que ha experimentado el material.

«Lo que hace que nuestro material sea verdaderamente innovador es que funciona sin fuente de alimentación, equipos complejos ni observación in situ y se combina fácilmente con la tecnología IoT», afirma Chao-Nan Xu, profesor de la Universidad de Tohoku y autor correspondiente del estudio.

En Japón, el envejecimiento de la infraestructura se ha convertido en un problema importante, lo que ha llevado a una mayor demanda de nuevas tecnologías de diagnóstico que prevengan accidentes y/o extiendan la vida útil de las estructuras.

Los materiales mecanoluminiscentes exhiben luminiscencia cuando se estimulan mecánicamente, y se han desarrollado tecnologías como la detección de grietas y la visualización de tensiones aplicando este material a la superficie de las estructuras. Pero la luminiscencia sólo puede observarse en el momento de la estimulación mecánica, y la información sobre estímulos mecánicos pasados ​​no puede recuperarse.

Los investigadores han explorado varios materiales capaces de registrar historias pasadas de carga mecánica. Estos materiales suelen combinar materiales luminiscentes bajo tensión con materiales fotosensibles, creando un sistema en el que el material emite luz en respuesta a la tensión mecánica, y esta luz puede conservarse y analizarse posteriormente para reconstruir el historial de tensión. Sin embargo, estos materiales enfrentan varios desafíos: estructuras de capas complejas, reacciones oscuras y rendimiento de grabación a largo plazo. Además, aunque ciertos fluoróforos revelan un historial de carga pasado cuando se los somete a calor, su aplicación se ha limitado a materiales capaces de soportar altas temperaturas.

Xu y sus colegas descubrieron un método simple y respetuoso con el medio ambiente para registrar el estrés utilizando Li dopado con Pr.0,12 N / A0,88 NbO3 (LNNO). Este LNNO tenía una función de registro mecánico, lo que significa que podía recuperar incluso eventos de estrés pasados.

Para recuperar información de tensiones pasadas, se aplica LNNO como un recubrimiento a la superficie de un objeto y luego se irradia con una linterna. El brillo producido por el LNNO se puede medir mediante cámaras o sensores de luz. El estudio demostró que la imagen del resplandor corresponde cuantitativamente a los resultados obtenidos mediante el análisis del método de elementos finitos. Además, las investigaciones han confirmado que LNNO conserva esta información de estrés incluso después de un período de cinco meses.

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«Se espera que nuestros hallazgos alivien la escasez de mano de obra en el diagnóstico estructural y reduzcan los costos», añade Xu.

Referencia: Uchiyama T, Atsumi T, Otonari K, Fujio Y, Zheng XG, Xu CN. Registro directo y lectura de la fuerza mecánica mediante evaluación de luminiscencia de material mecanoluminiscente multipiezo Li0.12Na0.88NbO3 en un límite de fase morfotrópico bien diseñado. Física Aplicada Lett. 2024;124(17):171105. hacer: 10.1063/5.0209065

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Prudencia Febo

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