Mosty, wieżowce i hale przemysłowe – każda konstrukcja podlega naprężeniu, które w skrajnych przypadkach mogą doprowadzić do katastrofy budowlanej. Coraz bardziej prawdopodobne jest, że nim nadejdzie zagrożenie, poinformuje nas o nim zmieniający się kolor farby. Jakie możliwości otwiera rozwój tej technologii?

Materiał mówiący „uważaj”

Dzięki badaniom prowadzonym m.in. w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, zespół naukowców z Polski, Japonii i Indii opracował inteligentny materiał mechanochromowy, który zmienia barwę pod wpływem naprężeń. Swoje wyniki opublikowali w czasopiśmie „Journal of Luminescence”, gdzie szczegółowo opisali inteligentny materiał oraz jego potencjalne zastosowanie w nauce, szczególnie w budownictwie

Inteligentne materiały to substancje zdolne do reagowania na bodźce takie jak ciepło, światło albo nacisk w przewidywalny sposób. Na podstawie zmiany docierających bodźców modyfikacji mogą ulegać różne właściwości materiału, jak kolor, przewodnictwo, kształt albo emisja światła. Powszechnym wykorzystaniem tego typu surowca w cywilnym użyciu są kubki na herbatę, które pod wpływem temperatury wrzątku zmieniają swoją barwę. W tym wypadku jest to zaledwie gadżet, który dzięki użyciu tego materiału nie zmienia rzeczywistości, ale technologia inteligentnych materiałów ma potencjał do zastosowania w znacznie ważniejszych projektach, jak soczewki kontaktowe wyświetlające poziom glukozy w polu widzenia, czy projekty egzoszkieletu, który dostosuje się do ruchu. 

W Krakowie i Tokio badacze skupili się na szczególnej odmianie, czyli materiałach mechanochromowych, które reagują na naprężenia mechaniczne. Opracowany przez nich związek w normalnych warunkach świeci na zielono-żółto, ale gdy jego kryształy zostają zdeformowane, kolor przechodzi w intensywną czerwień.

To jak zamek i klucz. Cząsteczki pasują do siebie i tworzą układ o określonej barwie. Kiedy jednak przesuną się względem siebie, powstają inne oddziaływania i widzimy zupełnie nowy kolor. Co więcej, proces jest odwracalny. Wystarczy działanie rozpuszczalnika, by kryształy wróciły do pierwotnej struktury i materiał odzyskał początkową barwę – tłumaczy prof. Konrad Szaciłowski, jeden z autorów publikacji z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.

Superdrewno: ekologiczna alternatywa dla stali w budownictwie przyszłości

Pękający most zmieni kolor na czerwony

Właściwości materiału otwierają niezwykłe perspektywy. Potencjalne użycie na przęsłach mostów farby opracowanej na bazie inteligentnego materiału, mogłaby doprowadzić do zwiększenia bezpieczeństwa. Podstawowa kontrola konstrukcji wymagałaby jedynie obserwowania koloru. W momencie, gdy na moście doszłoby do nagłych naprężeń, to barwa mostu zmieniłaby się na czerwoną. Dla przechodniów, kierowców oraz służb byłby to czytelny sygnał do podjęcia działań. 

Technologia mogłaby być szczególnie przydatna w miejscach mniej uczęszczanych, gdzie konstrukcja nie zużywa się równomiernie, a sporadyczna obecność ludzi sprawia, że trudniej zauważyć wady konstrukcyjne. Mowa o kładkach pieszych, prywatnych konstrukcjach, czy leśnych pomostach. Ten analogowy system mógłby ostrzegać na długo przed wystąpieniem krytycznej awarii, do których wciąż dochodzi mimo rozwoju technologii, jak w przypadku katastrofy w Genui w 2018 roku.

Bez użycia elektroniki

Zaletą mechanochromowych materiałów jest nie tylko czułość, ale i prostota użycia. Do stworzenia czujnika wystarczy odrobina substancji, a do działania nie jest potrzebna skomplikowana elektronika. Wystarczy gołym okiem odróżnić barwę zielono-żółtą od czerwonej. To rozwiązanie tańsze i potencjalnie trwalsze niż tradycyjne sensory elektroniczne.

Budownictwo mostów to tylko jeden z przykładów użycia. Naukowcy wskazują, że polimer z właściwościami mechanochromowymi może wspierać konstruktorów robotów czy pracę inżynierów pracujących nad prototypami nowych urządzeń. Gdy materiał zmienia kolor w miejscach największego naprężenia, daje natychmiastową informację, czy projekt jest bezpieczny i czy rozkład sił w praktyce zgadza się z obliczeniami komputerowymi. Skorzystać mógłby również sektor kosmiczny, bo dzięki implementacji tej technologii w budowie statków lub konstrukcji jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, ich pojawiające się wady byłby łatwiejsze do wykrycia i poprawiłaby bezpieczeństwo znajdujących się tam astronautów. 

Badacze zwracają też uwagę na inne zastosowania. Projektując materiał tak, by barwa zmieniła się w odpowiedzi na inne czynniki niż nacisk, można by stosować ten materiał, jako czujnik. W laboratoriach czy zakładach przemysłowych pokryte nim ściany lub podłogi, dawałaby szybką odpowiedź o tym, czy w powietrzu pojawiły się toksyczne opary. Ponieważ materiał reaguje również na gazowe związki chemiczne, kolor zmieni się błyskawicznie i ostrzeże pracowników bez konieczności instalowania drogich detektorów.

Naukowcy bez granic

Historia powstania tego materiału pokazuje, jak ważna jest międzynarodowa współpraca. Syntezy związku dokonali chemicy w Japonii, badania spektroskopowe przeprowadzono w Indiach, a interpretacją wyników zajęli się naukowcy z AGH, korzystając z modelowania teoretycznego. Autorzy docenionej publikacji wskazują, że prowadzenie tak przełomowych badań nie jest możliwe bez ścisłej współpracy różnych ośrodków naukowych, bo jeden zespół miałby spore trudności z objęciem wszystkich etapów.

W AGH już planowane są kolejne projekty nad materiałami reagującymi nie tylko na naprężenia, ale także na ciśnienie i przewodnictwo elektryczne. To obszar o ogromnym znaczeniu dla rozwoju sztucznych neuronów i synaps, będącymi kluczowymi elementami przyszłych technologii neuromorficznych. Szeroki zakres wykorzystania tej technologii znajduje także odzwierciedlenie w tym, jak prezentuje się laboratorium krakowskiego zespołu. Nie przypomina ono znanego z filmów czy zdjęć historycznych pomieszczenia wypełnionego probówkami i mikroskopami, są tam lasery, oscyloskopy i generatory, które kojarzą się z innymi gałęziami nauki.

Jeszcze kilkanaście zespołów badawczych na świecie robi taką chemię, między innym mój nauczyciel i przyjaciel, prof. de Silva z Belfastu, pochodzący ze Sri Lanki, który był odkrywcą tzw. molekularnych bramek logicznych. Prof. de Silva jako pierwszy wykazał, że cząsteczki związków chemicznych mogą się zachować tak, jak przełączniki elektryczne. Też zacząłem budować przełączniki z cząsteczek i tak już mi zostało. A teraz to robią moi doktoranci, magistranci i cały zakład – opowiada prof. Konrad Szaciłowski.

Badacz przyznał, że takie unikatowe podejście do uprawiania chemii jest wynikiem jego zamiłowania do elektroniki i stanowi niszę w tej gałęzi nauki. Pokazuje to, że tworzenie innowacji wymaga pozbycia się, oprócz granic językowych, również granic swojej dziedziny naukowej i projektowania rozwiązań wykraczających poza schematy. Prace prowadzone w AGH pokazują, że współcześnie wielkie projekty globalnej wioski można realizować także w Polsce.

Zobacz też: Od węgla do innowacji. W Turowie powstaje pierwszy grawitacyjny magazyn energii w Polsce

Źródła: AGH, Journal of Luminescence, Science direct, 

Fot. Canva (fmajor)

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.