Koniec katastrof budowlanych? Ta farba sama ostrzeże przed zawaleniem - wymyślili ją na AGH

Kolor ściany poinformuje o zbliżającej się katastrofie!

Jak dowodzą naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, niektórych katastrof budowlanych można by uniknąć. W jaki sposób? Wystarczyłoby śledzić naprężenia w strukturze budynków i odpowiednio wcześnie reagować na ich zmiany. Dotychczas nie wprowadzono jednak rozwiązań, które pozwalałyby monitorować naprężenia w czasie rzeczywistym. A co gdyby kolor farby na moście zmieniał się wraz ze zmianą naprężenia w jego strukturze? To tylko jedno z potencjalnych zastosowań inteligentnego materiału, który powstał w wyniku współpracy trzech uczelni – w tym AGH.

Prezentujemy dziś Państwu bardzo ciekawy artykuł, który ukazał się na stronach krakowskiej AGH.

• Czytaj też: Energię z domowej fotowoltaiki przechowasz w wodorze. Innowacyjny system wejdzie na rynek?

Inteligentne materiały pomogą dbać o bezpieczeństwo

Inteligentnymi nazywamy materiały, które reagują na środowisko w przewidywalny i ściśle określony sposób. Odpowiednie bodźce mogą wywołać ich reakcję, która doprowadzi np. do zmiany ich właściwości. Z takiego inteligentnego materiału może być wykonana choćby koszulka, która zmienia kolor pod wpływem ciepła – a więc w praktyce ma np. inny kolor w miejscach, które przylegają do ciała, a inny w miejscach, które są luźne. Ale potencjał takich materiałów jest znacznie większy niż czysto komercyjne zastosowania przykuwające uwagę i pozwalające wyróżnić się w tłumie. Inteligentne materiały to także możliwość stworzenia sztucznej skóry czy egzoszkieletów. To materiały, które można zintegrować z elektroniką, tak by razem pozwalały na ciągłe mierzenie temperatury ciała czy ciśnienia tętniczego albo soczewki kontaktowe wyświetlające informacje np. o poziomie glukozy bezpośrednio w polu widzenia użytkownika. Jedną z unikatowych grup materiałów inteligentnych są materiały mechanochromowe, czyli materiały zmieniające barwę pod wpływem oddziaływań mechanicznych.

Zespół naukowców z Indii, Japonii i Polski w artykule zatytułowanym "Mechanochromism and aggregation-induced emission in a fluorene-fumaronitrile-based molecular system: The influence of supramolecular control on donor-acceptor interactions" opublikowanym w czasopiśmie „Journal od Luminescence” opisują opracowany i przebadany przez nich materiał, który pod wpływem wzrostu naprężenia zmienia swoją barwę z zielonożółtej na czerwoną.

• Pisaliśmy też: Kosmiczne kampusy. Polska rewolucja w architekturze uczelni wyższych

Barwa związku chemicznego prawdę Ci powie...

Barwa związku w fazie stałej, w postaci krystalicznej, wynika zarówno ze struktury cząsteczek, jak i ze sposobu, w jaki te cząsteczki oddziałują ze sobą w krysztale. Związek opisany przez naukowców we wspomnianej publikacji charakteryzuje się tym, że zawarte w nim kryształy są bardzo miękkie, a ich struktura nie jest stabilna.

Niewielka siła, niewielki czynnik wywołujący jakąś deformację powoduje, że zmienia się ich ułożenie w przestrzeni – mówi prof. Konrad Szaciłowski, jeden z autorów publikacji, i porównuje te cząsteczki do klucza od zamka. – Każda cząsteczka zawiera jeden zamek i dwa klucze lub odwrotnie, czyli jest zbudowana z kilku modułów, które wzajemnie do siebie pasują i są rozseparowane. W krysztale mamy taką sytuację, że „zamek” z jednej cząsteczki pasuje do „klucza” z drugiej. Dzięki temu oddziaływaniu powstaje materiał o konkretnej barwie. Dodatkowo, charakteryzuje się on silną luminescencją, a więc wzbudzony ultrafioletem emituje światło barwy zielonożółtej. Kiedy dochodzi do mechanicznego uszkodzenia kryształów, cząsteczki przesuwają się względem siebie, a oddziaływania ulegają zniszczeniu. Powstają za to inne, a ich pojawienie się sprawia, że barwa zmienia się z żółtozielonej na czerwoną.

Co ciekawe, w przypadku tego związku proces niszczenia oddziaływań pomiędzy cząsteczkami jest w pełni odwracalny – wystarczy dodać do materiału organiczny rozpuszczalnik, a cząsteczki trafiają na swoje pierwotne miejsce i struktura od razu się odtwarza. Tym samym substancja ponownie zmienia także kolor, wracając do wyjściowej barwy.

Czerwony kolor oznacza alarm!

Dzięki czułości materiału na działanie nawet niewielkiego stężenia par związków organicznych można sobie wyobrazić jego wykorzystanie do stworzenia farb, które służyłyby jako czujniki ostrzegawcze – można by pokryć nią ściany czy podłogi w laboratorium lub w hali produkcyjnej, gdzie mogą występować toksyczne opary. Gdyby pojawiły się w powietrzu, to farba wykonana z użyciem tego inteligentnego materiału natychmiast zmieniłaby barwę z czerwonej na żółtozieloną. W ten sposób informacja o zanieczyszczeniu znajdującym się w powietrzu byłaby natychmiast dostępna dla osób przebywających w pomieszczeniu, które mogłyby szybko podjąć odpowiednie kroki. Fakt, że zmiana barwy jest bardzo wyraźna, bo do zmiany dochodzi z koloru żółtozielonego na kolor czerwony, sprawia, że takie jej użycie byłoby wygodne w zastosowaniu.

Ten system może być znacznie czulszy i przede wszystkim znacznie tańszy w użyciu, niż zaawansowane czujniki elektroniczne, bo do zrobienia takiego czujnika potrzebujemy miligrama związku, który jest w miarę tani i chociaż będzie działał w sensorze jednorazowo, to jest łatwy do wymiany – wyjaśnia prof. Szaciłowski.

"Kolory" naprężeń pomogą też konstruktorom

Innym z potencjalnych zastosowań bazujących na właściwościach mechanochromowych otrzymanego materiału jest wytworzenie polimeru funkcjonalnego, który zmieniałby barwę podczas zmiany naprężenia, np. podczas wyginania. To właściwość, z której mogą skorzystać choćby konstruktorzy – czy to robotów, czy konstrukcji architektonicznych. Już na etapie prototypu warto byłoby wiedzieć, gdzie pojawiają się większe naprężenia, by móc zmodyfikować projekt przed jego ostatecznym wdrożeniem. Prototyp wykonany z takiego polimeru zmieniłby kolor w miejscach, w których naprężenia byłyby większe, a tym samym dostarczył konstruktorowi informacji, o tym, czy wykonane przez niego modelowanie numeryczne nie zawierało błędów i czy naprężenia poprawnie rozchodzą się po konstrukcji.

Pokrycie taką farbą przęseł mostu mogłoby sprawić, że podstawowa kontrola jego wytrzymałości ograniczałaby się do monitorowania barwy polimeru. Gdyby na nagraniu, zdjęciu, czy też na żywo dostrzeżono efekty niebezpiecznej zmiany naprężenia, to most mógłby zostać szybko wyłączony z użytku – i tym samym moglibyśmy łatwo zapobiec ewentualnym wypadkom, choćby takim jak ten w Genui w 2018 roku, podczas którego  zginęły 43 osoby. Taki sposób monitoringu naprężenia nie wymagałby elektroniki ani skomplikowanych systemów nadzorowania – wystarczyłby inteligentny materiał, który, gdy naprężenie przekroczy wartość krytyczną, poinformuje nas o zagrożeniu zmianą barwy.

Polscy naukowcy współpracowali z uczelniami z Japonii i Indii

Jak podkreśla prof. Szaciłowski, wykonanie wszystkich badań niezbędnych do stworzenia i opisania właściwości inteligentnego materiału wymagało współpracy trzech ośrodków badawczych z trzech różnych krajów – Polski, Indii oraz Japonii. Każdy z zespołów badawczych dysponuje innym zestawem umiejętności oraz dostępem do różnych technik laboratoryjnych, które przekładają się na to, co dany zespół jest w stanie osiągnąć. W AGH nie prowadzono badań nad syntezą związku – dokonali tego naukowcy z Japonii, którzy dzięki swojemu dotychczasowemu doświadczeniu przeprowadzili syntezę tego złożonego związku. Wówczas w Japonii przebywała pracująca na indyjskim uniwersytecie dr Bijitha Balan, która po powrocie do Indii rozpoczęła zaawansowane badania nad materiałem przy użyciu aparatury spektroskopowej. Jej zespół miał jednak trudność w wyjaśnieniu wszystkich aspektów reaktywności opisanego materiału, więc zwrócił się z prośbą o pomoc do prof. Szaciłowskiego, który posiadał większe doświadczenie w modelowaniu teoretycznym. Aby wykonać swoje zadanie naukowiec nie musiał mieć nawet dostępu do samego materiału – wystarczył dostęp do surowych danych pomiarowych.

Model pokazał nam jakiego rodzaju oddziaływania występują w tych cząsteczkach i co jest istotne dla tego efektu. Dla jednego zespołu badawczego byłoby to bardzo trudne, bo musiałby mieć doświadczenie w syntezie, spektroskopii i modelowaniu molekularnym. Więc musiałby to być bardzo duży zespół, składający się ludzi o wielu różnych specjalnościach. Znacznie łatwiej jest to zrobić przez poszukanie partnera gdzieś na zewnątrz – komentuje naukowiec z AGH. – Bez takiej zaawansowanej współpracy bardzo trudno jest prowadzić zaawansowane badania naukowe. Cały czas pracujemy w środowisku międzynarodowym i to jedyny sposób, żeby rzeczywiście te badania szły intensywnie do przodu.

To nie koniec międzynarodowej współpracy AGH

Realizacja dotychczasowych projektów z zespołami zza granicy to jednak zdecydowanie nie koniec międzynarodowej współpracy. Badacze z AGH spoglądają z nadzieją na kontynuacje badań dotyczących inteligentnych materiałów, które są wrażliwe na ciśnienie, bo to materiały, które charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym – a więc mogą znaleźć zastosowanie w projektach dotyczących sztucznych neuronów i sztucznych synaps, które są obecnie prowadzone w AGH.

Warto też zaznaczyć, że w kolejnych projektach część badań nad materiałami inteligentnymi będzie można przeprowadzać w AGH. Laserowy spektrometr absorpcji przejściowej, którego zakup sfinansowano ze środków IDUB, pozwala na pomiar widm absorpcyjnych. Podczas badań nad inteligentnymi materiałami fotochromowymi może posłużyć do badania kolorów związków chemicznych i badania zmian, jakie zachodzą w wyniku wzbudzenia go krótkim impulsem światła laserowego. Dzięki temu można śledzić dynamikę reakcji chemicznych. Obserwując opisywany materiał inteligentny po zniszczeniu jego struktury, moglibyśmy stwierdzić, jak szybko wraca od stanu równowagi.

Zestaw do pomiaru czasu fotoluminescencji pozwala z kolei na zmierzenie zdolności próbek do emisji światła po wzbudzeniu ultrafioletem. W środku urządzenia znajdują się impulsowe lasery ultrafioletowe, które pozwalają naukowcom na śledzenie emisji w zakresie światła widzialnego z bardzo wysoką rozdzielczością czasową (co do pikosekund). Co więcej, możemy badać materiały w zakresie temperatury od 10 do 350 kelwinów i dzięki temu badać dynamikę cząsteczek w stanie wzbudzonym.

– To urządzenie daje nam precyzyjne informacje o skali czasowej zmiany struktury elektronowej pojedynczych cząsteczek, co jest bardzo istotne zarówno z czysto poznawczego punktu widzenia, ale również do pewnego stopnia przekłada się na zastosowania praktyczne, bo będziemy wiedzieć, czy układ np. po zadziałaniu sensora lub czujnika szybko wraca do stanu pierwotnego, czy nie; jak długi czas musi upłynąć, żebyśmy po raz kolejny mogli użyć tych cząsteczek – dodaje prof. Szaciłowski.

Wspomniana aparatura posłużyła już do zrealizowania programu OPUS „W słabości siła: nitrylowe oraz tiazolotiazolowe kompleksy srebra i miedzi jako nowe materiały dla memrystorów filamentowych”, który jest prowadzony w konsorcjum z Politechniką Gdańską. Celem projektu jest zsyntezowanie związków hybrydowych z jonami srebra i miedzi, które służyłyby jako komórki pamięci, tzw. memrystory filamentowe. W projektowanych związkach wiązania chemiczną jonów metalu z matrycą powinny być słabe, by po przyłożeniu napięcia jony mogły utworzyć w materiale ścieżkę przewodzącą.

W pracowni generatory, oscyloskopy, analizatory sygnału, kilometry kabli i lasery

Zakres prac prowadzonych w Zakładzie Fotofizyki i Elektrochemii Półprzewodników, gdzie pracuje prof. Szaciłowski, może wydawać się zaskakujący, jeśli weźmiemy pod uwagę, że zatrudnieni są tam głównie chemicy. W laboratorium próżno szukać przyrządów powszechnie kojarzonych z badaniami chemicznymi – nie ma w nim probówek, zlewek i butelek wypełnionych płynem. Są za to generatory, oscyloskopy, analizatory sygnału, kilometry kabli i lasery. Dzięki temu widać, że znany ze szkoły podział na chemię i fizykę może być trudny do przeprowadzenia w realnym świecie i niekoniecznie sprawdzają się podczas prac badawczych. Chociaż pomiary przepływu prądu przez materiały mogą kojarzyć się z badaniami fizycznymi, to znajdują swoje miejsce także w dziedzinie chemii – choćby dlatego, że przepływ prądu może wywoływać zmiany w strukturze molekularnej materiału. Robot może mieć oczy z siarczku kadmu, w których opór elektryczny zmienia się wraz ze zmianą natężenia światła – a więc wykorzystywać właściwości związków chemicznych do reagowania na otoczenie. Tym samym można zaszeregować jako projekt chemiczny – nawet jeśli innym wyda się nietypowy.

Profesor Szaciłowski przyznaje, że takie unikatowe podejście do uprawiania chemii jest wynikiem jego zamiłowania do elektroniki i stanowi niszę w tej gałęzi 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. Szaciłowski.

Źródło: agh.edu.pl