Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie we współpracy z zespołami z Japonii i Indii opracowali materiał, który potrafi zmieniać kolor, gdy zagrożony jest pęknięciem. Dzięki nim o katastrofie budowlanej będzie ostrzegać kolor farby na budynku.
Nowy wynalazek ma wyjątkową adekwatność: w normalnych warunkach świeci na zielonożółto, ale pod wpływem nacisku lub obciążenia natychmiast zmienia barwę na czerwoną. Co więcej, proces ten jest całkowicie odwracalny. Wystarczy użyć odpowiedniego rozpuszczalnika, a struktura kryształu wraca do pierwotnego stanu i materiał świeci znowu na zielono.
Kluczowe w projekcie było połączenie kompetencji z trzech krajów. W Japonii zajęto się syntezą nowego związku, w Indiach wykonano zaawansowane badania spektroskopowe, a w Polsce, w krakowskiej AGH, zespół prof. Konrada Szaciłowskiego opracował modele teoretyczne. To właśnie one pozwoliły wytłumaczyć, dlaczego zmiana barwy jest tak szybka, powtarzalna i widoczna gołym okiem.
Odkrycie opisano w czasopiśmie Journal of Luminescence.
Więcej na Spider’s Web:
Magia nauki w praktyce
Niektórych katastrof budowlanych można by uniknąć. 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 naukowców z Polski, Indii i Japonii.
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, iż zawarte w nim kryształy są bardzo miękkie, a ich struktura nie jest stabilna.
Niewielka siła, niewielki czynnik wywołujący jakąś deformację powoduje, iż zmienia się ich ułożenie w przestrzeni – mówi prof. Konrad Szaciłowski, jeden z autorów publikacji.
Porównuje on 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, iż „zamek” z jednej cząsteczki pasuje do „klucza” z drugiej. Dzięki temu oddziaływaniu powstaje materiał o konkretnej barwie.
Prof. Konrad Szaciłowski w laboratorium. Fot. AGHCo więcej, nowy materiał charakteryzuje się 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, iż barwa zmienia się z żółtozielonej na czerwoną.
Zapobiec tragediom
Dzięki czułości materiału na działanie choćby 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 gwałtownie podjąć odpowiednie kroki.
Fakt, iż zmiana barwy jest bardzo wyraźna, bo do zmiany dochodzi z koloru żółtozielonego na kolor czerwony, sprawia, iż 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.
Most, który sam ostrzega
Nie da się ukryć, iż wkład polskich badaczy był kluczowy. To właśnie dzięki modelowaniu molekularnemu opracowanemu w AGH udało się zrozumieć, jak działają niezwykle miękkie kryształy, które reagują choćby na niewielką siłę. To one sprawiają, iż materiał jest tak czuły i jednocześnie stabilny.
Współpraca między Japonią, Indiami i Polską pokazuje, jak ogromne znaczenie ma łączenie kompetencji z różnych dziedzin i kontynentów. A także to, iż polska nauka potrafi wnieść do światowych projektów coś, bez czego nie udałoby się osiągnąć przełomu.
Pokrycie taką farbą przęseł mostu mogłoby sprawić, iż 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 gwałtownie wyłączony z użytku i tym samym moglibyśmy łatwo zapobiec ewentualnym wypadkom, choćby takim jak ten w Genui w 2018 r., 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.
Główna ilustracja: Most Solidarności w Płocku przez Wisłę. Fot. Rommullus, na licencji CC BY-SA 4.0.
