Das Erkennen bröckelnder Infrastruktur ist manchmal ebenso schwierig wie ihre Reparatur. Doch dieser Prozess wurde dank eines innovativen neuen Materials, das von Forschern der Tohoku-Universität entwickelt wurde, erleichtert. Einzelheiten zu den Ergebnissen wurden veröffentlicht im Journal Angewandte Physik Briefe am 25. April 2024.
Das Material reagiert auf mechanische Reize, indem es die Belastungshistorie durch einen Lumineszenzeffekt, ein sogenanntes Nachleuchten, aufzeichnet. Diese Informationen werden für lange Zeit gespeichert, und durch Auftragen des Materials auf die Oberflächen von Strukturen können Forscher Änderungen im Nachleuchten beobachten und so die Belastungsmenge bestimmen, der das Material ausgesetzt war.
„Was unser Material wirklich innovativ macht, ist die Tatsache, dass es ohne Stromversorgung, komplexe Geräte oder Beobachtung vor Ort funktioniert und sich problemlos mit IoT-Technologie kombinieren lässt“, betont Chao-Nan Xu, Professor an der Tohoku-Universität und korrespondierender Autor der Studie.
In Japan ist die alternde Infrastruktur zu einem erheblichen Problem geworden und hat zu einer erhöhten Nachfrage nach neuen Diagnosetechnologien geführt, die Unfälle verhindern und/oder die Lebensdauer der Bauwerke verlängern.
Mechanolumineszierende Materialien leuchten, wenn sie mechanisch stimuliert werden. Durch das Aufbringen dieses Materials auf die Oberfläche von Strukturen wurden Technologien wie Risserkennung und Spannungsvisualisierung entwickelt. Die Lumineszenz kann jedoch nur im Moment der mechanischen Stimulation beobachtet werden. Informationen über frühere mechanische Stimulationen können nicht abgerufen werden.
Forscher haben verschiedene Materialien untersucht, die in der Lage sind, vergangene mechanische Belastungshistorien aufzuzeichnen. Diese Materialien kombinieren typischerweise spannungslumineszierende Materialien mit lichtempfindlichen Materialien, wodurch ein System entsteht, bei dem das Material als Reaktion auf mechanische Belastung Licht aussendet. Dieses Licht kann gespeichert und später analysiert werden, um die Belastungshistorie zu rekonstruieren.
Diese Materialien stehen jedoch vor mehreren Herausforderungen: komplexe Schichtstrukturen, Dunkelreaktionen und Langzeitaufzeichnungsleistung. Während bestimmte Fluorophore bei Hitzeeinwirkung die Ladehistorie verraten, war die Anwendung bisher auf Materialien beschränkt, die hohen Temperaturen standhalten.
Xu und ihre Kollegen entdeckten eine einfache und umweltfreundliche Methode zur Aufzeichnung von Spannungen mit Pr-dotiertem Li0,12Na0,88NbO3 (LNNO). Dieses LNNO verfügte über eine mechanische Aufzeichnungsfunktion, sodass es sogar vergangene Spannungsereignisse abrufen konnte.
Um Informationen über vergangene Spannungen zu erhalten, wird LNNO als Beschichtung auf die Oberfläche eines Objekts aufgetragen und dann mit einer Taschenlampe bestrahlt. Das von LNNO erzeugte Nachleuchten kann mit Kameras oder Lichtsensoren gemessen werden.
Die Studie zeigte, dass das Nachleuchtbild quantitativ mit den Ergebnissen übereinstimmt, die durch die Analyse der Methode der finiten Elemente erzielt wurden. Darüber hinaus bestätigte die Forschung, dass LNNO diese Spannungsinformationen auch nach einem Zeitraum von fünf Monaten behält.
„Unsere Erkenntnisse dürften den Personalmangel in der Strukturdiagnostik lindern und die Kosten senken“, ergänzt Xu.
Mehr Informationen:
Tomoki Uchiyama et al., Direkte Aufzeichnung und Ablesung mechanischer Kraft durch Nachleuchtauswertung des multipiezomechanolumineszierenden Materials Li0,12Na0,88NbO3 an einer gut konzipierten morphotropen Phasengrenze, Angewandte Physik Briefe (2024). DOI: 10.1063/5.0209065