Material registra e armazena informações de estresse em prédios e pontes

Um novo material promete não apenas Identificar defeitos em grandes infraestrutura civis, como pontes, viadutos e edifícios, como também manter um registro visual do evento, facilitando a tarefa de monitoramento, que não mais precisará ser feito de modo contínuo.

O material responde a estímulos mecânicos, como deformações, trincas e danos gerados por abalos sísmicos, mas também a tensões, que não são fortes o suficiente para danificar a estrutura de modo catastrófico, mas que poderão chegar a isso no longo prazo. E o histórico dessas tensões é memorizado por meio de um efeito luminescente, denominado brilho residual, informações essas que ficam registradas por um longo tempo.

Assim, aplicando o material nas superfícies das estruturas, é possível observar mudanças no brilho residual para determinar a quantidade de tensão que o material registrou e, por decorrência, os riscos de defeitos ou mesmo colapso total da estrutura – e isto antes que as trincas apareçam.

Dada a taxa vertiginosa da urbanização nos últimos 100 anos, hoje todas as cidades do mundo enfrentam problemas com o envelhecimento das infraestruturas, tornando-se cada vez mais importante monitorar essas construções.

“O que torna o nosso material verdadeiramente inovador é que ele funciona sem fonte de alimentação, equipamentos complexos ou observação no local, e é facilmente combinado com a tecnologia internet das coisas,” disse o professor Chao-Nan Xu, da Universidade de Tohoku, no Japão.

O material mantém uma memória do estresse mecânico por até cinco meses, simplificando o monitoramento e barateando o trabalho de inspeção.
[Imagem: Tomoki Uchiyama et al. – 10.1063/5.0209065]

Mecanoluminescente

Tecnologias para detecção de trincas e visualização de tensões têm sido desenvolvidas usando materiais mecanoluminescentes, uma classe de materiais que apresenta luminescência quando estimulados mecanicamente. Mas a luminescência só pode ser observada no momento da estimulação mecânica, e as informações sobre estímulos mecânicos passados não podem ser recuperadas, exigindo sistemas de monitoramento contínuo por câmeras.

Foram feitas várias tentativas para combinar materiais mecanoluminescentes com materiais fotossensíveis, criando um sistema onde o material emite luz em resposta ao estresse mecânico, e essa luz pode ser preservada e posteriormente analisada para reconstruir o histórico de tensão. No entanto, essas soluções exigem estruturas com camadas complexas, reações escuras e pouca durabilidade da gravação dos eventos.

O pesquisador Tomoki Uchiyama encontrou uma alternativa, um material que ele chama de LNNO (Li_0,12Na_0,88NbO₃), uma mistura de lítio, sódio e óxido de nióbio, dopados com praseodímio (Pr). Apesar da aparente complexidade química, o material pode ser sintetizado usando um método simples e ecologicamente correto.

Tensões passadas

Além de apresentar a mecanoluminescência, o novo material tem a funcionalidade de gravação mecânica, o que significa que ele permite recuperar até mesmo eventos de estresse passados. Para registrar informações de tensões passadas, o material é aplicado como um revestimento na superfície de um objeto. Para ler as informações, basta iluminá-lo com uma lanterna: O brilho produzido pode ser medido usando câmeras ou sensores de luz.

Os testes demonstraram que a imagem do brilho residual corresponde quantitativamente aos resultados obtidos através da análise do método de elementos finitos. Além disso, o material retém essas informações de estresse mesmo após um período de cinco meses.

“Esperamos que nossas descobertas aliviem a escassez de mão-de-obra no diagnóstico estrutural e reduzam os custos,” disse Xu.