توسعه پوشش حسگر کرنش نانومرکیب با گرافن برای نظارت بر سلامت سازه‌ها و خودروها

محققان بین‌المللی با همکاری دانشگاه‌های Shenyang Aerospace و New South Wales استرالیا، به دستاورد چشمگیری در زمینه فناوری نانو دست یافته‌اند. این تیم تحقیقاتی موفق به توسعه یک پلی‌اوره‌ای دو جزئی مقیاس‌پذیر شده‌اند که با نانوصفحات گرافنی دارای اتصال کووالانسی ترکیب شده است. نتیجه این ترکیب، ایجاد یک شبکه هدایت‌کننده پایدار است که به طور همزمان مقاومت مکانیکی بالا، پایداری طولانی‌مدت و توانایی حسگری بلادرنگ را ارائه می‌دهد.

پروفسور Qingshi Meng از دانشگاه Shenyang Aerospace، نویسنده مسئول این مطالعه، اهمیت این کشف را اینگونه توضیح می‌دهد:

«کار ما یک پوشش اسپری‌شونده نانومرکب پلی‌اوره‌ای را معرفی می‌کند که در آن نانوصفحات گرافنی عملکردی به صورت کووالانسی جای گرفته‌اند. این ساختار نه تنها قابلیت پردازش آسان برای استفاده صنعتی را فراهم می‌کند، بلکه مقاومت در برابر شرایط محیطی و پایداری شبکه هدایت‌کننده را تضمین کرده و امکان حسگری مقاوم و دقیق را فراهم می‌آورد.»

ساختار و عملکرد مولکولی پیشرفته

در قلب این فناوری، افزودن نانوصفحات گرافنی با تریمر Hexamethylene diisocyanate (HT‑GNPs) به ماتریس پلی‌اوره‌ای سریع‌سخت‌شونده قرار دارد. عملکرد کووالانسی این صفحات، پراکندگی یکنواخت آن‌ها و یکپارچگی شیمیایی با شبکه پلیمر را در حین فرآیند پخت اسپری ممکن می‌سازد. این «لنگر مولکولی» به تقویت ریزساختار هیدروژنی کمک کرده و حتی در مراحل ژل‌زایی سریع، یک مسیر هدایت‌کننده پایدار ایجاد می‌کند.

ویژگی‌های مکانیکی و حسگری بی‌نظیر

پوشش نانومرکیب حاصل، عملکرد مکانیکی قابل‌توجهی از خود نشان می‌دهد:

• مقاومت کششی: ۴۳.۴ MPa
• کرنش شکست: ۷۰۷.۸ درصد (با ۰.۱ درصد حجمی HT‑GNPs)

فرمولاسیون بهینه با ۲ درصد حجمی HT‑GNPs، عملکردی متعادل و چشمگیر ارائه می‌دهد:

• ضریب حساسیت: ۸.۴ برای کرنش ۰–۲۳۵ درصد و ۱۶.۰ برای کرنش بیش از ۲۳۵ درصد
• پاسخ سریع: ۸۸ میلی‌ثانیه
• بازیابی سریع: ۹۲ میلی‌ثانیه
• چسبندگی قوی: به زیرلایه‌های مختلف
• پایداری طولانی‌مدت: پس از آزمایش‌های رطوبت-حرارت، اسپری نمک و تابش UV

علاوه بر این، آنالیز الکتروشیمیایی نیز مقاومت عالی این پوشش در برابر خوردگی را تأیید می‌کند.

غلبه بر چالش‌های پیشین

پروفسور Meng اشاره می‌کند که پوشش‌های حسگر کرنش پیش از این با محدودیت‌هایی در سهولت پردازش اسپری، مقاومت طولانی‌مدت در برابر شرایط محیطی و عملکرد الکترومکانیکی مطمئن مواجه بودند. وی تأکید کرد:

«ما نشان دادیم که با استفاده از نانوصفحات گرافنی کووالانسی، می‌توان همه این الزامات را همزمان برآورده کرد.»

چشم‌انداز آینده و کاربردها

نویسندگان این مطالعه بر این باورند که ترکیب مهندسی مولکولی سطحی با فرآیند اسپری مقیاس‌پذیر، مسیری قدرتمند برای توسعه پوشش‌های حسگر چندمنظوره، مقاوم و یکپارچه با گرافن ایجاد می‌کند. تیم تحقیقاتی ابراز امیدواری کرده است که نتایج این پژوهش، به گسترش استفاده از نانوپرکننده‌های مهندسی‌شده برای تولید پوشش‌های بادوام و چندمنظوره برای نظارت بر سلامت سازه‌ها و خودروها منجر شود.