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Le caoutchouc électroluminescent pourrait détecter des dommages structurels
Des chercheurs de l'Université de Princeton ont construit un nouveau type de capteur qui pourrait aider les ingénieurs à évaluer rapidement la santé d'un bâtiment ou d'un pont. Le capteur est un laser organique, déposé sur une feuille de caoutchouc : lorsqu'il est étiré, par la formation d'une fissure par exemple, la couleur de la lumière qu'il émet change.
L'idée est venue de l'idée qu'il est peut-être possible de couvrir de grandes structures comme des ponts avec une peau que vous pouvez utiliser pour détecter la déformation de la structure à distance, dit Sigurd Wagner , professeur de génie électrique à l'Université de Princeton, qui a développé le capteur laser extensible avec et Patrick Görrn, chercheur à Princeton. L'ouvrage a été publié le mois dernier dans Matériaux avancés .
Pendant plus d'une décennie, les chercheurs ont exploré des moyens de fabriquer des réseaux denses de capteurs capables de couvrir de vastes zones. Les peaux sensibles intriguent particulièrement les ingénieurs civils, qui connaissent l'importance de détecter les dommages aux infrastructures afin d'éviter des catastrophes telles que l'effondrement d'un pont en 2007 à Minneapolis. Il y a vraiment un besoin critique de développer de meilleurs capteurs qui peuvent être appliqués aux systèmes d'infrastructure, dit Jérôme Lynch , professeur de génie civil et environnemental à l'Université du Michigan.
Les capteurs de contrainte traditionnels mesurent simplement la contrainte le long d'une ligne particulière. L'un de ces capteurs est un fil qui change de résistivité lorsqu'il est sous tension. Un autre type est une fibre optique qui indique une contrainte lorsque la lumière injectée à une extrémité est diffusée par un défaut de la structure. Mais le problème est que si le dommage se produit entre les capteurs, il est difficile à détecter, dit Branko Glisic , professeur de génie civil et environnemental à Princeton qui n'était pas directement impliqué dans le projet.
Un laser extensible pourrait résoudre ce problème en couvrant plus de surface que les fils ou les fibres optiques. Pour fabriquer l'appareil, une feuille de matériau extensible appelée polydiméthylsiloxane (PDMS) a été spécialement préparée de sorte qu'elle ait une surface ondulée. Ensuite, les chercheurs ont filé un mélange liquide de molécules organiques sur la surface ondulée. Lorsqu'un laser ultraviolet est projeté sur la couche organique (une méthode d'alimentation d'un laser appelée pompage optique), il stimule l'émission de photons à partir des molécules organiques. L'effet laser se produit parce que la surface ondulée agit comme un réseau de diffraction, réfléchissant la lumière entre les ondes, amplifiant efficacement le signal.
Les molécules émettent normalement une lumière rouge visible, mais lorsque la surface du caoutchouc est étirée ou comprimée, elle modifie la couleur de la lumière émise. En étirant le caoutchouc de 2,2% de sa longueur, les chercheurs ont pu changer la couleur de la lumière. Un détecteur de lumière remarquerait une différence d'environ cinq nanomètres entre les longueurs d'onde de début et de fin de la lumière émise. Cela pourrait être corrélé à de minuscules changements de contrainte au sein d'une structure, explique Wagner. C'est très sensible, et c'est l'avantage, dit-il. Dans de nombreux cas, les ingénieurs structurels ou civils aimeraient voir un début de défaillance, pas une fissure visible ; et ils aimeraient avoir un capteur capable de cette mesure sensible.
Le pompage optique de la peau laser extensible pourrait être un avantage pour le système. Cela pourrait réduire le coût d'installation, car il ne nécessiterait pas de fils. Cela signifierait également qu'un ingénieur pourrait se tenir à distance d'une structure, projeter une lumière ultraviolette sur la surface de la peau sensible pour détecter de minuscules changements de contrainte.
Le concept pourrait remplir une niche critique dans la santé structurelle, dit Lynch. L'approche semble nouvelle, et il est intéressant de savoir quel type de résultats la technologie pourrait donner lorsqu'elle est déployée dans le monde réel. Lynch développe des peaux de détection de grande surface qui s'appuient sur des couches de nanotubes de carbone et d'autres molécules organiques pour détecter les contraintes, les fissures et la corrosion, entre autres défauts.
Wagner dit que son prototype doit encore être peaufiné. Alors que les feuilles de PDMS peuvent s'étirer sur une grande distance, les couches organiques se détachent lorsqu'elles sont trop étendues. Résoudre ce problème se résumera probablement à tester différents types de molécules électroluminescentes et à trouver un moyen de mieux les fixer au PDMS. Nous connaissons les expériences à faire, dit-il. Nous n'avons tout simplement pas encore trouvé la recette magique.