Materialele revoluționare de conștientizare Construiesc baza structurilor vii

O ilustrare a noului sistem metamaterial conștient, așa cum este utilizat într-un stent al arterei coronare. Designul poate simți restenoza atunci când este utilizat pe un stent, și același model poate fi utilizat pe scară largă pe grinzile podului pentru a se auto-monitoriza defectele structurii. Credit: iSMaRT Lab

Noile cercetări la Nano Energy prezintă un material revoluționar scalabil, care se simte și se împuternicește.

De la punți mai mari la implanturi medicale mai mici, senzorii sunt peste tot și din motive întemeiate: Capacitatea de a detecta și monitoriza modificările înainte ca acestea să devină probleme poate fi atât economisirea costurilor, cât și salvarea vieții.

Pentru a aborda mai bine aceste potențiale amenințări, Laboratorul de monitorizare și testare a răspunsului inteligent (iSMaRT) de la Școala de Inginerie de la Universitatea din Pittsburgh Swanson a proiectat o nouă clasă de materiale care sunt atât medii sensibile, cât și nanogeneratori și sunt gata să revoluționeze materialul multifuncțional . tehnologie mare și mică.

Cercetare, publicată recent în Nano Energie, descrie un nou sistem metamaterial care acționează ca senzor, înregistrând și transmitând informații importante despre presiunea și tensiunile din structura sa. Așa-numitul „metamaterial conștient de sine” își generează puterea și poate fi utilizat pentru o gamă largă de aplicații de detectare și monitorizare.

Cel mai inovator aspect al lucrării este scalarea sa: același model funcționează atât pe nanoscală, cât și pe megaska pur și simplu prin adaptarea geometriei designului.

„Nu există nicio îndoială că materialele de nouă generație ar trebui să fie multifuncționale, adaptabile și reglabile”, a spus Amir Alavi, profesor asistent de inginerie civilă și de mediu și bioinginerie, care conduce laboratorul iSMaRT. „Nu puteți atinge aceste caracteristici numai cu materiale naturale – aveți nevoie de sisteme de materiale hibride sau compozite în care fiecare strat component să ofere propria sa funcționalitate. Sistemele conștiente de metamaterial pe care le-am inventat pot furniza aceste caracteristici prin metamateriale avansate combinate și tehnologii de colectare a energiei la scară largă, indiferent dacă este un stent medical, un amortizor sau o aripă de avion. “

În timp ce aproape toate materialele existente de auto-detectare sunt compuși care se bazează pe diferite forme de fibră de carbon ca module senzoriale, acest nou concept oferă o abordare complet diferită, dar eficientă, pentru crearea de sisteme de materiale pentru senzori și nanogeneratori. Conceptul propus se bazează pe modelarea și asamblarea microstructurilor de materiale adaptate la performanță.

Materialul este proiectat astfel încât, sub presiune, să se producă electrificarea de contact între straturile sale conductoare și dielectrice, creând o sarcină electrică care transmite informații despre starea materialului. În plus, moștenește în mod natural proprietățile mecanice extraordinare ale metamaterialelor, cum ar fi compactarea negativă și rezistența ultra-ridicată la deformare. Puterea generată de mecanismul său integrat de nanogenerator triboelectric elimină necesitatea unei surse de alimentare separate: astfel de sisteme materiale pot utiliza sute de wați de energie pe scară largă.

Un „Schimbător de joc”, de la Inima Umană la Habitatele Spațiale

„Credem că această invenție este un joc în schimbare în știința metamaterialului în care multifuncționalitatea câștigă acum multă tracțiune”, a spus Kaveh Barri, autor principal și doctor în Alavi Lab. “În timp ce o parte considerabilă a efortului actual în acest domeniu a fost pur și simplu căutarea explorării de noi proprietăți mecanice, mergem cu un pas mai departe prin introducerea mecanismelor revoluționare de autoîncărcare și autosensibilitate în structura sistemelor materiale.”

„Cea mai interesantă contribuție a noastră este că proiectăm noi aspecte ale inteligenței în structura metamaterialelor. Putem transforma literalmente orice sistem material în sensibilizatori și nanogeneratori sub acest concept “, a adăugat Gloria Zhang, coautor și doctorand la Alavi Lab.

Cercetătorii au creat numeroase modele de prototipuri pentru o varietate de aplicații de inginerie civilă, spațială și biomedicală. La o scară mai mică, un stent cardiac care folosește acest model poate fi utilizat pentru a monitoriza fluxul sanguin și a detecta semnele de restenoză sau îngustarea unei artere. Același model a fost, de asemenea, utilizat la o scară mult mai mare pentru a crea o grindă reglabilă mecanic, potrivită pentru o punte care să poată autosupraveghea defectele structurii sale.

Aceste materiale au, de asemenea, un mare potențial dincolo de Pământ. Un material conștient nu folosește nici fibre de carbon, nici bobine; este masă ușoară, densitate redusă, cost redus, foarte scalabil și poate fi fabricat folosind o gamă largă de materiale organice și anorganice. Aceste calități le fac ideale pentru a fi utilizate în explorarea spațiului viitor.

Pentru a înțelege pe deplin marele potențial al acestei tehnologii, imaginați-vă cum putem adapta acest concept pentru a construi habitate spațiale structurale solide care se auto-întăresc folosind doar materiale indigene în Martie si dincolo. În prezent, ne uităm la acest lucru acum “, a spus Alavi. „Puteți crea nano, micro, macro și mega sisteme de materiale în acest concept. Acesta este motivul pentru care sunt încrezător că această invenție poate construi bazele pentru o nouă generație de structuri de inginerie vii care răspund la stimuli externi, își auto-supraveghează starea și se împuternicesc. “

Lucrarea „Nanogeneratori multifuncționali meta-tribomateriali pentru recoltarea energiei și sensibilitatea activă” a fost co-scrisă de Zhong Lin Wang, dr., Președinte al Hightower și profesor de regenți la Georgia Institute of Technology, Jun Chen, dr., Profesor asistent în Pitt, și Pengcheng Jiao, dr., profesor de cercetare la Universitatea Zhejiang.

Referință: „Generatori de metano-tribomateriale multifuncționale nano pentru recoltarea energiei și sensibilitatea activă” de Kaveh Barri, Pengcheng Jiao, Qianyun Zhang, Jun Chen, Zhong Lin Wang și Amir H. Alavi, 16 aprilie 2021, Nano Energie.
DOI: 10.1016 / j.nanoen.2021.106074

Această cercetare este susținută parțial de NIH cu numărul de evaluare R21AR075242-01 și este o continuare a Pat. Ser Nr. 63/048943, intitulat „Conștient Mecanic compozit Metamateriale și Metoda de a face la fel ”, înființată în Pitt.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.