Selvbevidste materialer bygger fundamentet for levende strukturer

Fra de største broer til de mindste medicinske implantater, sensorer er overalt, og med god grund:Evnen til at fornemme og overvåge ændringer, før de bliver problemer, kan både være omkostningsbesparende og livreddende.

For bedre at imødegå disse potentielle trusler, Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab ved University of Pittsburgh Swanson School of Engineering har designet en ny klasse af materialer, der både er sansemedier og nanogeneratorer, og er klar til at revolutionere den multifunktionelle materialeteknologi store og små.

Forskningen, for nylig udgivet i Nano energi, beskriver et nyt metamaterialesystem, der fungerer som sin egen sensor, registrering og videregivelse af vigtig information om trykket og belastningerne på dens struktur. Det såkaldte "selvbevidste metamateriale" genererer sin egen kraft og kan bruges til en bred vifte af sansnings- og overvågningsapplikationer.

Den mest innovative facet af arbejdet er dets skalerbarhed:Det samme design fungerer i både nanoskala og megaskala blot ved at skræddersy designgeometrien.

"Der er ingen tvivl om, at næste generations materialer skal være multifunktionelle, adaptiv og afstembar." sagde Amir Alavi, adjunkt i civil- og miljøteknik og bioteknik, der leder iSMaRT Lab. "Du kan ikke opnå disse egenskaber med naturlige materialer alene - du har brug for hybrid- eller kompositmaterialesystemer, hvor hvert enkelt lag har sin egen funktionalitet. De selvbevidste metamaterialesystemer, som vi har opfundet, kan tilbyde disse egenskaber ved at fusionere avanceret metamateriale og energihøstteknologier i multiskala, om det er en medicinsk stent, støddæmper eller en flyvinge."

Mens næsten alle de eksisterende selvfølende materialer er kompositter, der er afhængige af forskellige former for kulfibre som sensormoduler, dette nye koncept tilbyder en helt anden, dog effektiv, tilgang til at skabe sensor- og nanogeneratormaterialesystemer. Det foreslåede koncept bygger på ydeevnetilpasset design og samling af materialemikrostrukturer.

Materialet er designet således, at under tryk, kontaktelektrificering finder sted mellem dets ledende og dielektriske lag, skabe en elektrisk ladning, der videregiver information om materialets tilstand. Ud over, det arver naturligt metamaterialernes fremragende mekaniske egenskaber, som negativ kompressibilitet og ultrahøj modstand mod deformation. Den strøm, der genereres af dens indbyggede triboelektriske nanogeneratormekanisme, eliminerer behovet for en separat strømkilde:Sådanne materialesystemer kan udnytte hundredvis af watt strøm i stor skala.

En 'game changer', fra det menneskelige hjerte til rummets levesteder

"Vi mener, at denne opfindelse er en game changer inden for metamaterialevidenskab, hvor multifunktionalitet nu vinder meget indpas, " sagde Kaveh Barri, hovedforfatter og doktorand i Alavis laboratorium. "Mens en væsentlig del af den nuværende indsats på dette område kun har været at udforske nye mekaniske egenskaber, vi går et skridt videre ved at introducere revolutionære selvopladnings- og selvfølende mekanismer i materialesystemernes struktur."

"Vores mest spændende bidrag er, at vi udvikler nye aspekter af intelligens til teksturen af ​​metamaterialer. Vi kan bogstaveligt talt transformere ethvert materialesystem til sansemedier og nanogeneratorer under dette koncept, " tilføjede Gloria Zhang, medforfatter og ph.d.-studerende i Alavis laboratorium.

Forskerne har skabt flere prototypedesigns til en række civile, rumfarts- og biomedicinske applikationer. I mindre skala, en hjertestent, der bruger dette design, kan bruges til at overvåge blodgennemstrømningen og detektere tegn på restenose, eller genindsnævring af en arterie. Det samme design blev også brugt i meget større skala til at skabe en mekanisk indstillelig bjælke, der var egnet til en bro, der kunne selvovervåge for defekter på dens struktur.

Disse materialer har et enormt potentiale ud over Jorden, såvel. Et selvbevidst materiale bruger hverken kulfibre eller spoler; det er let i massen, lav tæthed, lave omkostninger, meget skalerbar, og det kan fremstilles ved hjælp af en bred vifte af organiske og uorganiske materialer. Disse egenskaber gør dem ideelle til brug i fremtidig rumudforskning.

"For fuldt ud at forstå det enorme potentiale i denne teknologi, forestil dig, hvordan vi endda kan tilpasse dette koncept til at bygge strukturelt sunde, selvforsynende rumhabitater ved kun at bruge oprindelige materialer på Mars og videre. Vi kigger faktisk på det lige nu, " sagde Alavi. "Du kan skabe nano-, mikro-, makro- og megaskala materialesystemer under dette koncept. Det er derfor, jeg er overbevist om, at denne opfindelse kan bygge grundlaget for en ny generation af tekniske levende strukturer, der reagerer på de ydre stimuli, selv overvåge deres tilstand, og magter sig selv."