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Les sens révolutionnaires de matériau et s'actionne, peuvent mener au rétablissement neuf des structures vivantes

Des plus grandes passerelles aux plus petits implants médicaux, les détecteurs sont partout, et pour la bonne raison : La capacité de détecter et surveiller des modifications avant qu'elles deviennent des problèmes peut être économie de coût et sauvetage.

Pour améliorer l'adresse ces dangers potentiels, le laboratoire d'essais structurel intelligent de surveillance et (iSMaRT) de réaction à l'université de l'école de Pittsburgh Swanson du bureau d'études a conçu une classe neuve des matériaux qui sont les deux medias et nanogenerators de détection, et est portés en équilibre pour révolutionner la technologie matérielle multifonction grande et petite.

La recherche, récent publiée dans l'énergie nanoe, décrit un système metamaterial neuf qui agit en tant que son propre détecteur, enregistrant et transmettant par relais des informations importantes sur la pression et des tensions sur sa structure. Le soi-disant « metamaterial conscient de soi-même » développe son propre pouvoir et peut être employé pour une grande sélection de détection et d'applications de contrôle.

La facette la plus novatrice du travail est son évolutivité : le même modèle fonctionne au nanoscale et au megascale simplement à côté de régler la géométrie de modèle.

« Il n'y a aucun doute dont les matériaux de prochain rétablissement ont besoin pour être multifonction, adaptatif et réglable. » ledit Amir Alavi, professeur adjoint du bureau d'études et de la bio-ingénierie civils et environnementaux, qui aboutit le laboratoire d'iSMaRT. « Vous ne pouvez pas réaliser ces caractéristiques avec les matériaux naturels seuls--vous avez besoin des systèmes d'hybride ou de matériau composite dans lesquels chaque couche constitutive offre sa propre fonctionnalité.

Les systèmes metamaterial conscients de soi-même que nous avons inventés pouvons offrir ces caractéristiques en protégeant par fusible metamaterial avancé et énergie moissonnant des technologies au multiscale, si c'est une armature intra-artérielle médicale, amortisseur ou une aile d'avion. »

Tandis que presque tous les matériaux de auto-détection existants sont des composés qui se fondent sur différentes formes des fibres de carbone en tant que détection des modules, ce concept neuf offre complet un différent, pourtant efficace, l'approche à produire le détecteur et les systèmes de matériau de nanogenerator. Le concept proposé se fonde sur le modèle et l'ensemble rendement-réglés des microstructures matérielles.

Le matériau est conçu tels que sous pression, la contact-électrification se produit entre ses couches conductrices et diélectriques, produisant une charge électrique qui retransmet des informations sur l'état du matériau. De plus, il hérite naturellement des propriétés mécaniques en suspens des metamaterials, comme la compressibilité négative et la résistance ultra-haute à la déformation. Le pouvoir développé par son mécanisme triboélectrique intrinsèque de nanogenerator élimine le besoin de source d'énergie indépendante : de tels systèmes matériels peuvent armer des centaines de watts de pouvoir aux larges échelles.

Un « commutateur de jeu, » du coeur humain aux habitats de l'espace

Nous croyons que cette invention est un commutateur de jeu en science metamaterial où la multifonctionnalité gagne maintenant beaucoup de traction. Tandis qu'une partie considérable des efforts actuels dans cet endroit était simplement entrée dans explorer les propriétés mécaniques neuves, nous allons une opération plus loin en introduisant les mécanismes de auto-remplissage et de auto-détection révolutionnaires dans le tissu des systèmes matériels. »

Kaveh Barri, auteur important d'étude et étudiant au doctorat dans le laboratoire d'Alavi, université de Pittsburgh

« Notre cotisation plus passionnante est que nous concevons des aspects neufs de renseignement dans la texture des metamaterials. Nous pouvons littéralement transformer n'importe quel système matériel en détection des medias et des nanogenerators sous ce concept, » a ajouté Gloria Zhang, l'auteur de Co-fil et l'étudiant au doctorat dans le laboratoire d'Alavi.

Les chercheurs ont produit des modèles multiples de prototype pour un grand choix d'applications civiles, d'aéronautique et astronautique et de génie biomédical. À un sur une échelle plus petite, une armature intra-artérielle de coeur utilisant ce modèle peut être employée pour surveiller le flux sanguin et pour trouver des signes de resténose, ou le re-rétrécissement d'une artère. Le même modèle a été également employé à une échelle beaucoup plus grande pour produire un faisceau mécanique-réglable adapté pour une passerelle qui pourrait auto-moniteur pour des défectuosités sur sa structure.

Ces matériaux ont l'énorme potentiel au delà de la terre, aussi bien. Un matériau conscient de soi-même n'emploie ni des fibres ni des bobines de carbone ; il est léger dans la masse, bas dans la densité, bas dans le coût, hautement évolutif, et il peut être fabriqué utilisant une large gamme de matériaux organiques et minéraux. Ces qualités leur effectuent l'idéal pour l'usage dans la future exploration d'espace.

« Pour comprendre entièrement le potentiel énorme de cette technologie, imaginez comment nous pouvons même adapter ce concept pour établir les habitats auto-actionnants de l'espace de structurel-son utilisant seulement les matériaux indigènes sur Mars et au-delà. Nous examinons réellement dans ceci en ce moment, » a dit Alavi. « Vous pouvez produire les systèmes nano-, micro, d'instruction-macro et de méga-écaille matériels sous ce concept. C'est pourquoi je suis confiant que cette invention puisse établir les fondations pour un rétablissement neuf des structures vivantes de bureau d'études qui répondent aux stimulus externes, auto-moniteur leur état, et s'actionnent. »

Source:
Journal reference:

Barri, K., et al. (2021) Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing. Nano Energy. doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106074.