Katastrofy budowlane, takie jak zawalenie się mostu Morandi w Genui w 2018 roku, można by było przewidzieć, gdyby inżynierowie mieli narzędzia pozwalające na bieżąco obserwować zmiany naprężeń w konstrukcjach. Do tej pory brakowało jednak prostych i niezawodnych rozwiązań. Być może wkrótce to się zmieni – dzięki inteligentnemu materiałowi opracowanemu we współpracy naukowców z Indii, Japonii i Polski.
Barwa zamiast czujników
Nowy związek chemiczny należy do grupy materiałów mechanochromowych, czyli takich, które reagują na oddziaływania mechaniczne zmianą koloru. Badacze opisali go na łamach czasopisma Journal of Luminescence. W spoczynku świeci zielonożółtą barwą, ale pod wpływem naprężeń przechodzi w intensywną czerwień. To reakcja wywołana przesunięciem miękkich kryształów wewnątrz struktury związku, które przypominają układ „kluczy i zamków”. Kiedy równowaga zostaje zaburzona, zmienia się sposób oddziaływania cząsteczek, a wraz z nim kolor.
Co istotne, proces ten jest odwracalny. Dodanie rozpuszczalnika organicznego przywraca pierwotne ułożenie cząsteczek i tym samym początkową barwę.
Farba, która sygnalizuje zagrożenie
Jak wyjaśnia prof. Konrad Szaciłowski z Akademii Górniczo-Hutniczej, jednym z potencjalnych zastosowań jest wykorzystanie materiału w powłokach ochronnych i farbach ostrzegawczych. Na przykład w laboratoriach czy zakładach produkcyjnych, gdzie istnieje ryzyko wystąpienia toksycznych oparów, ściany pokryte taką farbą mogłyby natychmiast zasygnalizować problem. Wystarczy niewielka ilość związku – zaledwie miligram – by uzyskać działający czujnik, znacznie tańszy od skomplikowanych urządzeń elektronicznych.
Równie obiecujące jest wykorzystanie materiału w budownictwie i inżynierii lądowej. Mosty czy wiadukty pokryte farbą zmieniającą kolor w miejscach przeciążenia mogłyby same ostrzegać o niebezpieczeństwie. Monitoring ograniczałby się wówczas do obserwacji barwy konstrukcji – zarówno na żywo, jak i na zdjęciach czy nagraniach.
Wspólne badania trzech kontynentów
Projekt jest efektem międzynarodowej współpracy. Syntezy związku dokonali japońscy chemicy, indyjscy badacze przeprowadzili pomiary spektroskopowe, a polski zespół z AGH opracował modele teoretyczne, które wyjaśniły mechanizm działania materiału. – Prowadzenie takich badań przez jeden zespół byłoby niemal niemożliwe. Potrzebne są różne specjalizacje i dostęp do odmiennych technik – podkreśla prof. Szaciłowski.
Kolejne kroki
Badania nad inteligentnymi materiałami nie kończą się na mechanochromizmie. Naukowcy planują rozwijać również materiały wrażliwe na ciśnienie, które dzięki przewodnictwu elektrycznemu mogą znaleźć zastosowanie w projektach związanych ze sztucznymi neuronami i synapsami. AGH posiada już nowoczesną aparaturę, która pozwoli prowadzić część eksperymentów w kraju – m.in. laserowy spektrometr do śledzenia zmian barwy związków chemicznych w czasie rzeczywistym.
Chemia na styku z elektroniką
Co ciekawe, laboratorium, w którym pracuje prof. Szaciłowski, bardziej przypomina pracownię fizyki czy elektroniki niż klasyczną pracownię chemiczną. Zamiast probówek i kolb dominują lasery, oscyloskopy i analizatory sygnału. To właśnie takie interdyscyplinarne podejście pozwala na odkrycia, które mogą zmienić sposób projektowania przyszłych technologii.
Naukowcy podkreślają, że inteligentne materiały mają ogromny potencjał – od ochrony życia ludzkiego po rozwój nowoczesnej elektroniki i robotyki. Jeśli ich badania znajdą praktyczne zastosowanie, być może w przyszłości wystarczy rzut oka na kolor mostu, by wiedzieć, że konstrukcja wymaga natychmiastowej interwencji.
