Van de grootste bruggen tot de kleinste medische implantaten, sensoren zijn overal, en met een goede reden:het vermogen om veranderingen waar te nemen en te volgen voordat ze problemen worden, kan zowel kostenbesparend als levensreddend zijn.

Om deze potentiële bedreigingen beter aan te pakken, het Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab aan de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering heeft een nieuwe klasse materialen ontworpen die zowel detectiemedia als nanogeneratoren zijn, en staan ​​klaar om een ​​revolutie teweeg te brengen in de multifunctionele materiaaltechnologie, groot en klein.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Nano-energie, beschrijft een nieuw metamateriaalsysteem dat fungeert als zijn eigen sensor, het opnemen en doorgeven van belangrijke informatie over de druk en spanningen op de structuur. Het zogenaamde "zelfbewuste metamateriaal" genereert zijn eigen kracht en kan worden gebruikt voor een breed scala aan detectie- en monitoringtoepassingen.

Het meest innovatieve facet van het werk is de schaalbaarheid:hetzelfde ontwerp werkt op zowel nanoschaal als megaschaal door simpelweg de ontwerpgeometrie aan te passen.

"Het lijdt geen twijfel dat de volgende generatie materialen multifunctioneel moeten zijn, adaptief en afstembaar." zei Amir Alavi, assistent-professor civiele en milieutechniek en bio-engineering, die het iSMaRT Lab leidt. "Je kunt deze eigenschappen niet bereiken met alleen natuurlijke materialen - je hebt hybride of composietmateriaalsystemen nodig waarin elke samenstellende laag zijn eigen functionaliteit biedt. De zelfbewuste metamateriaalsystemen die we hebben uitgevonden, kunnen deze kenmerken bieden door geavanceerd metamateriaal en technologieën voor het oogsten van energie op multischaal, of het een medische stent is, schokdemper of een vliegtuigvleugel."

Hoewel bijna alle bestaande zelfgevoelige materialen composieten zijn die afhankelijk zijn van verschillende vormen van koolstofvezels als sensormodules, dit nieuwe concept biedt een totaal andere, maar efficiënt, benadering voor het creëren van sensor- en nanogeneratormateriaalsystemen. Het voorgestelde concept is gebaseerd op prestatiegericht ontwerp en assemblage van materiële microstructuren.

Het materiaal is zo ontworpen dat onder druk, contact-elektrificatie vindt plaats tussen de geleidende en diëlektrische lagen, het creëren van een elektrische lading die informatie over de toestand van het materiaal doorgeeft. In aanvulling, het erft van nature de uitstekende mechanische eigenschappen van metamaterialen, zoals negatieve samendrukbaarheid en ultrahoge weerstand tegen vervorming. Het vermogen dat wordt gegenereerd door het ingebouwde tribo-elektrische nanogeneratormechanisme elimineert de noodzaak van een afzonderlijke stroombron:dergelijke materiaalsystemen kunnen op grote schaal honderden watts aan vermogen benutten.

Een 'game-wisselaar, ' van het menselijk hart naar ruimtehabitats

"Wij geloven dat deze uitvinding een game changer is in de metamateriaalwetenschap waar multifunctionaliteit nu veel grip krijgt, " zei Kaveh Barri, hoofdauteur en promovendus in het laboratorium van Alavi. "Terwijl een substantieel deel van de huidige inspanningen op dit gebied louter gericht was op het onderzoeken van nieuwe mechanische eigenschappen, we gaan een stap verder door revolutionaire zelfopladende en zelfgevoelige mechanismen in het weefsel van materiële systemen te introduceren."

"Onze meest opwindende bijdrage is dat we nieuwe aspecten van intelligentie in de textuur van metamaterialen ontwikkelen. We kunnen elk materieel systeem letterlijk transformeren in detectiemedia en nanogeneratoren onder dit concept, " voegde Gloria Zhang toe, co-lead auteur en promovendus in het laboratorium van Alavi.

De onderzoekers hebben meerdere prototype-ontwerpen gemaakt voor verschillende civiele, toepassingen in de ruimtevaart en biomedische technologie. Op kleinere schaal, een hartstent met dit ontwerp kan worden gebruikt om de bloedstroom te controleren en tekenen van restenose te detecteren, of de vernauwing van een slagader. Hetzelfde ontwerp werd ook op veel grotere schaal gebruikt om een ​​mechanisch afstembare straal te creëren die geschikt was voor een brug die zichzelf kon controleren op defecten aan de structuur.

Deze materialen hebben een enorm potentieel buiten de aarde, ook. Een zelfbewust materiaal gebruikt geen koolstofvezels of spoelen; het is licht in massa, laag in dichtheid, laag in kosten, zeer schaalbaar, en het kan worden vervaardigd met behulp van een breed scala aan organische en anorganische materialen. Die eigenschappen maken ze ideaal voor gebruik bij toekomstige verkenning van de ruimte.

"Om het enorme potentieel van deze technologie volledig te begrijpen, stel je voor hoe we dit concept zelfs kunnen aanpassen om structureel gezonde, zelfvoorzienende ruimtehabitats te bouwen met alleen inheemse materialen op Mars en daarbuiten. We zijn dit nu echt aan het onderzoeken, " zei Alavi. "Je kunt nano-, micro-, macro- en megaschaal materiële systemen onder dit concept. Daarom ben ik ervan overtuigd dat deze uitvinding de basis kan leggen voor een nieuwe generatie technische levende structuren die reageren op externe prikkels, zelf hun toestand controleren, en zichzelf aan de macht brengen."