"La idea surgió de la noción de que quizás es posible cubrir grandes estructuras como puentes, con una piel que se pueda utilizar para detectar la deformación de la estructura desde la distancia", explica Sigurd Wagner, profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Princeton, quien desarrolló el sensor láser elástico junto con Patrick Gör , otro investigador de la Universidad de Princeton. El trabajo fue publicado el mes pasado en Advanced Materials.
Durante más de una década, los investigadores han estudiado la forma de fabricar matrices densas de sensores capaces de cubrir grandes áreas. Los recubrimientos de detección son especialmente interesantes para los ingenieros civiles, que conocen la importancia de la detección de daños en una infraestructura a fin de evitar desastres como el colapso de 2007 de un puente en Minneapolis. "Realmente hay una necesidad crítica de desarrollar mejores sensores que se puedan aplicar a los sistemas de infraestructura", afirma Jerome Lynch, profesor de ingeniería civil e ingeniería medioambiental de la Universidad de Michigan.
Los sensores de estrés tradicionales simplemente medir el estrés a lo largo de una línea en particular. Un ejemplo de este tipo de sensor es la resistencia del cual cambia cuando está bajo tensión. Otro tipo de sensor es una fibra óptica que indica la tensión cuando la luz que se hace entrar por un extremo se dispersa por un defecto en la estructura. "Sin embargo, el problema ocurre cuando el daño se produce entre los sensores—entonces es difícil de detectar", explica Branko Glisic, profesor de ingeniería civil e ingeniería medioambiental en Princeton quien no estuvo directamente involucrado en el proyecto.
Un láser elástico podría resolver este problema, cubriendo un área mayor que los cables o la fibra óptica. Para crear el dispositivo, una lámina de material elástico llamado polidimetilsiloxano (PDMS) fue preparada especialmente para que tuviera una superficie ondulada. A continuación, los investigadores tejieron una mezcla líquida de moléculas orgánicas en la superficie ondulada. Cuando se enfoca un láser ultravioleta sobre la capa orgánica (un método de alimentación de láseres llamado bombeo óptico), éste estimula la emisión de fotones por las moléculas orgánicas. La transmisión del láser se produce porque la superficie ondulada actúa como una rejilla de difracción, lo que refleja la luz entre los pliegues, amplificando la señal.
nLas moléculas normalmente emiten luz roja visible, pero cuando la superficie de caucho se estira o se comprime, se modifica el color de la luz emitida. Estirando el caucho un 2,2 por ciento en la dirección de su longitud, los investigadores han podido cambiar el color de la luz. Un detector de luz remarcaría una diferencia de alrededor de cinco nanómetros entre las longitudes de onda inicial y final de la luz emitida. Esto podría correlacionarse con pequeños cambios en el estrés de una estructura, explica Wagner. "Es muy sensible, y ésa es la ventaja", continúa él. "En muchos casos, a los ingenieros de estructuras civiles les gustaría ver el desastre incipiente, no una grieta visible, y para ello les gustaría tener un sensor capaz realizar medidas lo suficientemente sensibles."
El bombeo óptico del recubrimiento de láser elástico puede ser una ventaja para el sistema. Podría reducir el coste de instalación, ya que no requiere cables. También significaría que un ingeniero podría comprobar una estructura desde lejos, enfocando luz ultravioleta sobre la superficie del recubrimiento de detección para detectar pequeños cambios en el estrés.
El concepto podría "llenar un vacío crítico en la salud estructural", afirma Lynch. "El enfoque parece novedoso, y es interesante ver qué tipo de resultados podría rendir la tecnología si se desplegara en el mundo real." Lynch está desarrollando recubrimientos de detección sobre grandes áreas que se basan en capas de nanotubos de carbono y otras moléculas orgánicas capaces de detectar tensiones, grietas y corrosión, entre otros defectos.
Wagner reconoce que su prototipo todavía necesita ser mejorado. Si bien las hojas de PDMS pueden estirarse una gran distancia, las capas orgánicas se desprenden cuando el material se extiende demasiado. Solucionar este problema probablemente se reducirá a probar diferentes tipos de moléculas emisoras de luz y a encontrar una manera de mejorar cómo se colocan sobre el PDMS. "Sabemos qué experimentos realizar", afirma él. "Simplemente aún no hemos encontrado la receta mágica."