Чтобы лучше противодействовать этим потенциальным угрозам, лаборатория интеллектуального структурного мониторинга и тестирования реагирования (iSMaRT) в инженерной школе Университета Питтсбурга Суонсон разработала новый класс материалов, которые одновременно являются чувствительными средами и наногенераторами и готовы произвести революцию в многофункциональных материалах. технологии большие и маленькие.
Исследование, недавно опубликованное в Nano Energy, описывает новую систему метаматериалов, которая действует как собственный датчик, регистрируя и передавая важную информацию о давлении и напряжениях в своей структуре. Так называемый «самосознательный метаматериал» генерирует свою собственную энергию и может использоваться для широкого спектра приложений измерения и мониторинга.

Самым новаторским аспектом работы является ее масштабируемость: один и тот же дизайн работает как в наномасштабе, так и в мегамасштабе, просто за счет изменения геометрии дизайна.
"Нет сомнений в том, что материалы следующего поколения должны быть многофункциональными, адаптивными и настраиваемыми."сказал Амир Алави, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии и биоинженерии, который возглавляет лабораторию iSMaRT. «Вы не можете достичь этих характеристик с помощью одних только природных материалов – вам нужны системы гибридных или композитных материалов, в которых каждый составляющий слой предлагает свои собственные функции.

Изобретенные нами самосознательные системы метаматериалов могут предложить эти характеристики за счет объединения передовых технологий сбора метаматериалов и энергии в различных масштабах, будь то медицинский стент, амортизатор или крыло самолета."
Хотя почти все существующие самочувствительные материалы представляют собой композиты, в которых используются различные формы углеродных волокон в качестве сенсорных модулей, эта новая концепция предлагает совершенно другой, но эффективный подход к созданию систем материалов для датчиков и наногенераторов. Предлагаемая концепция основана на индивидуальной конструкции и сборке микроструктур материала.

Материал сконструирован таким образом, что под давлением между его проводящим и диэлектрическим слоями возникает контактная электризация, создавая электрический заряд, который передает информацию о состоянии материала.

Кроме того, он естественным образом наследует выдающиеся механические свойства метаматериалов, такие как отрицательная сжимаемость и сверхвысокая устойчивость к деформации. Мощность, генерируемая встроенным механизмом трибоэлектрического наногенератора, устраняет необходимость в отдельном источнике питания: такие системы материалов могут использовать сотни ватт энергии в больших масштабах.

"Изменитель игры": от человеческого сердца к космической среде обитания
«Мы считаем, что это изобретение меняет правила игры в науке о метаматериалах, где многофункциональность сейчас набирает обороты», – сказал Каве Барри, ведущий автор и докторант лаборатории Алави. «Хотя значительная часть текущих усилий в этой области направлена ​​просто на изучение новых механических свойств, мы делаем шаг вперед, внедряя революционные механизмы самозарядки и самочувствительности в структуру материальных систем."
«Наш самый захватывающий вклад заключается в том, что мы внедряем новые аспекты интеллекта в структуру метаматериалов. С помощью этой концепции мы можем буквально превратить любую материальную систему в воспринимающую среду и наногенераторы », – добавила Глория Чжан, со-ведущий автор и докторант в лаборатории Алави.

Исследователи создали несколько прототипов для различных применений в гражданской, аэрокосмической и биомедицинской инженерии. В меньшем масштабе сердечный стент с такой конструкцией может использоваться для мониторинга кровотока и обнаружения признаков рестеноза или повторного сужения артерии. Та же конструкция использовалась в гораздо большем масштабе для создания механически настраиваемого луча, подходящего для моста, который мог самостоятельно контролировать дефекты в его конструкции.

Эти материалы обладают огромным потенциалом и за пределами Земли. Самосознательный материал не использует ни углеродных волокон, ни катушек; он легкий по массе, имеет низкую плотность, низкую стоимость, хорошо масштабируется и может быть изготовлен с использованием широкого спектра органических и неорганических материалов.

Эти качества делают их идеальными для использования в будущем освоении космоса.
"Чтобы полностью понять огромный потенциал этой технологии, представьте, как мы можем даже адаптировать эту концепцию для создания структурно надежных автономных космических сред обитания, используя только местные материалы на Марсе и за его пределами. Мы действительно изучаем это прямо сейчас », – сказал Алави. «В рамках этой концепции вы можете создавать нано-, микро-, макро- и мегамасштабные системы материалов. Вот почему я уверен, что это изобретение может заложить основу для нового поколения инженерных живых структур, которые реагируют на внешние раздражители, контролируют свое состояние и сами питаются."

Это исследование частично поддержано NIH под номером R21AR075242-01 и является продолжением U.S. Временный Пат.

Сер. Нет.

63/048943, озаглавленный «Самостоятельные композитные механические метаматериалы и способ их изготовления», подано в Питт.