Samkvæmt nýjustu skýrslunni getur næsta kynslóð samsettra efna fylgst með eigin uppbyggingu og orðið algeng.
Koltrefjasamsetningar eru léttar og sterkar og eru mikilvæg byggingarefni fyrir bíla, flugvélar og önnur samgöngutæki. Þær eru úr fjölliðuundirlagi, svo sem epoxy plastefnum, sem eru innbyggð í styrktar koltrefja. Vegna mismunandi vélrænna eiginleika efnanna tveggja munu trefjarnar detta af undirlaginu við of mikið álag eða þreytu. Þetta þýðir að skemmdir á uppbyggingu koltrefjasamsetningarinnar geta enn verið faldar undir yfirborðinu og ekki greinanlegar með berum augum, sem getur leitt til alvarlegra bilana.
„Með því að skilja innra eðli samsetninganna er hægt að meta betur heilsufar þeirra og vita hvort einhverjar skemmdir séu til staðar sem þarf að gera við,“ sagði Ridge Chris Bowland, rannsakandi við
Oak Ridge National Laboratory í bandaríska orkumálaráðuneytinu (Oak National Laboratory) Wigner. „Nýlega fann Amit Naskar, yfirmaður kolefnis- og samsettra efna hjá Bowland og ORNL, upp rúllandi röndunaraðferð til að vefja leiðandi kolefnisþráðum á hálfleiðara kísilkarbíð nanóagnir. Nanóefnin eru felld inn í samsett efni sem eru sterkari en önnur trefjastyrkt samsett efni og hafa nýja getu til að fylgjast með heilsu eigin uppbyggingar. Þegar nægilega margar húðaðar trefjar eru felld inn í fjölliðuna mynda trefjarnar raforkukerfi og lausa samsett efni leiða rafmagn. Hálfleiðara nanóagnir geta eyðilagt þessa rafleiðni undir áhrifum utanaðkomandi krafta, sem bætir við vélrænum og rafmagnslegum eiginleikum við samsett efnin. Ef samsett efni eru teygð mun tenging húðaðra trefja eyðileggjast og viðnámið í efninu mun breytast. Ef stormurinn veldur því að samsetta vængurinn beygist getur rafmagnsmerki varað tölvu flugvélarinnar við til að gefa til kynna að vængurinn sé undir of miklum þrýstingi og benda til prófunar. Sýnikennsla ORNL á rúllandi röndum sannar í meginatriðum að aðferðin getur framleitt næstu kynslóð af samsettum húðuðum trefjum í stórum stíl. Sjálfskynjandi samsett efni, hugsanlega úr endurnýjanlegum fjölliðuundirlögum og Ódýrar koltrefjar geta fundið sinn stað í alls staðar nálægum vörum, þar á meðal þrívíddarprentaðri bíla og byggingum. Til að búa til trefjar sem eru innfelldar í nanóagnir settu vísindamennirnir upp háþróaðar koltrefjaspólur á rúllurnar og rúllurnar vættu trefjarnar í epoxy plastefnum, sem innihalda fáanlegar nanóagnir á markaðnum, sem eru álíka breiðar og veiran (45-65 nm).
Trefjarnar eru síðan þurrkaðar í ofni til að festa húðunina. Til að prófa styrk trefjanna sem eru innfelldar í nanóagnir sem límdar eru við fjölliðuundirlagið, bjuggu vísindamennirnir til trefjastyrktar samsettar bjálkar, sem voru raðaðir í eina átt. Bowland framkvæmdi álagspróf þar sem endar burðarbjálkans voru festir, á meðan vélin sem mat vélræna eiginleika beitti þrýsti í miðju bjálkans þar til bjálkinn bilaði. Til að kanna skynjunargetu samsetta efnisins setti hann upp rafskaut á báðum hliðum burðarbjálkans. Í vél sem kallast „Dynamic mechanical analyzer“ klippti hann annan endann til að halda burðarbjálkanum kyrrstæðum. Vélin beitir krafti í hinn endann til að beygja fjöðrunarbjálkann á meðan Bowland fylgist með breytingum á viðnámi. ORNL, nýdoktor í rannsókninni Ngoc Nguyen, framkvæmdi viðbótarprófanir í Fourier Transform Infrared spectrometer til að rannsaka efnatengi í samsettum efnum og bæta skilning á auknum vélrænum styrk sem sést. Rannsakendurnir prófuðu einnig getu orkudreifingar samsettra efna úr mismunandi magni af nanóögnum (mælt með titringsdempunarhegðun), sem myndi auðvelda viðbrögð byggingarefna við höggum, titringi og öðrum spennu- og álagsuppsprettum. Við hvern styrk geta nanóagnir aukið orkudreifingu (frá 65% upp í 257% í mismunandi mæli). Bowland og Naskar hafa sótt um einkaleyfi á ferli til framleiðslu á sjálfskynjandi koltrefjasamsettum efnum.
„Gegndræpar húðanir bjóða upp á nýja leið til að nýta sér ný nanóefni sem eru í þróun,“ sagði Bowland. Rannsóknin var studd af rannsóknar- og þróunarverkefnum undir stjórn ORNL rannsóknarstofunnar, sem birt var í tímaritinu ACS Applied Materials and Interfaces (Applied Materials & Interfaces) hjá American Chemical Society.
Birtingartími: 7. des. 2018