Moleculă luminescentă cu două culori ar putea crește precizia testelor în tunelul vântului
Cercetătorii de la Universitatea din Manchester, în colaborare cu colegi de la Universitatea din Finlanda de Est, au conceput o moleculă capabilă să emită simultan două culori de lumină, permițând măsurarea presiunii și a temperaturii de pe aceeași suprafață, în același moment. Rezultatele au fost publicate în revista Advanced Optical Materials.
Majoritatea senzorilor măsoară un singur parametru: un termometru indică temperatura, iar un manometru indică presiunea. Pentru a obține două măsurători exacte de pe aceeași suprafață este nevoie, de obicei, de două instrumente separate, ceea ce crește costurile și complexitatea procesului.
Noua moleculă emite lumină roșie, numită fosforescență, sensibilă atât la presiunea aerului, cât și la temperatură, și, în același timp, lumină albastră, numită fluorescență, care răspunde exclusiv la temperatură. Prin compararea celor două semnale, este posibilă obținerea unei citiri corectate a presiunii direct de la moleculă, fără a mai fi nevoie de un senzor separat de temperatură.
Molecula a fost proiectată ca ingredient activ pentru vopsele specializate care măsoară presiunea pe modelele de aeronave testate în tuneluri aerodinamice. Atunci când inginerii testează un nou design de aeronavă, trebuie să cunoască exact modul în care presiunea aerului este distribuită pe fiecare suprafață. Una dintre cele mai bune metode este utilizarea unei vopsele sensibile la presiune, care strălucește proporțional cu presiunea aerului exercitată asupra ei.
Problema este că lumina emisă de aceste vopsele este influențată nu doar de presiune, ci și de temperatură. Pe măsură ce un model la scară redusă se încălzește și se răcește în timpul testului, strălucirea se modifică din motive fără legătură cu presiunea, introducând erori pe care inginerii trebuie apoi să le corecteze.
Dr. Alexander Romanov, cercetător senior în Departamentul de Chimie de la Universitatea din Manchester, a declarat că noul material emite lumină roșie, adică fosforescență, sensibilă la modificările de presiune și temperatură, și, în același timp, lumină albastră, sub formă de fluorescență, care răspunde doar la temperatură. Prin măsurarea simultană a celor două semnale, este posibilă separarea semnalului de presiune de interferența termică. Potrivit acestuia, o astfel de autocorecție integrată nu este posibilă cu o moleculă standard care emite lumină.
Molecula este construită în jurul unui atom de aur legat de un compus inelar numit acridină. Poziția acestei legături în structură determină tipul de lumină pe care îl produce molecula. Aurul a fost ales deoarece chiar și modificări subtile ale poziției sale în moleculă produc comportamente de emisie luminoasă diferite și previzibile, oferind chimiștilor un control precis asupra proprietăților de detectare. Atunci când atomul de aur se leagă într-o anumită poziție, declanșează emisia roșie sensibilă la presiune, iar o legătură într-o poziție diferită declanșează emisia albastră sensibilă doar la temperatură. Calculele efectuate de colegii din Finlanda i-au ajutat pe cercetători să înțeleagă și să prezică aceste diferențe înainte ca molecula să fie construită în laborator.
În utilizare, molecula este încorporată într-o vopsea aplicată pe modelele de test în modul standard. O cameră captează simultan ambele culori de emisie, iar raportul dintre cele două semnale corectează automat temperatura, fără a fi nevoie de un senzor termic separat.
Dr. Mark Quinn, conferențiar în Departamentul de Inginerie Mecanică și Aerospațială de la Universitatea din Manchester, a afirmat că, în testarea în tunelul vântului, corecția temperaturii este în prezent una dintre principalele provocări pentru a face vopselele sensibile la presiune fiabile. Potrivit acestuia, obținerea ambelor măsurători – de presiune și de temperatură – de la aceeași moleculă, simultan, este o soluție mai elegantă și, potențial, mai practică pentru condițiile reale de testare, unde adăugarea de instrumente suplimentare creează propriile complicații.
Lucrarea face parte dintr-un program mai amplu de cercetare la Manchester, care vizează îmbunătățirea vopselelor sensibile la presiune pentru aplicații aerospațiale. Un studiu conex, publicat recent în ACS Applied Engineering Materials, abordează problema temperaturii dintr-o direcție diferită, prin proiectarea unei vopsele pe bază de platină cu sensibilitate termică redusă prin natura sa. Împreună, cele două studii reprezintă abordări complementare pentru una dintre cele mai persistente provocări ale industriei.
