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I sensi rivoluzionari del materiale e si alimenta, possono piombo alla nuova generazione di strutture viventi

Dai più grandi ponti ai più piccoli innesti medici, i sensori sono dappertutto e per buon motivo: La capacità di percepire e riflettere i cambiamenti prima che si trasformino in in problemi può essere sia risparmio che salvataggio.

Per migliorare l'indirizzo queste minacce potenziali, il video strutturale intelligente e laboratorio di prova (iSMaRT) di risposta all'università di banco di Pittsburgh Swanson di assistenza tecnica ha progettato una nuova classe di materiali che sono entrambi i media e nanogenerators di percezione e sono sospese rivoluzionare la tecnologia materiale multifunzionale grande e piccola.

La ricerca, recentemente pubblicata nell'energia nana, descrive un nuovo sistema metamaterial che funge da suo proprio sensore, registrazione e informazioni importanti circa la pressione e sforzi di trasmissione sulla sua struttura. Il cosiddetto “metamaterial consapevole„ genera la sua propria potenza e può essere usato per una grande selezione di percezione e dei monitoraggi delle applicazioni.

La sfaccettatura più innovatrice del lavoro è la sua scalabilità: stesso progettazione semplicemente sia a nanoscale che a megascale adattando la geometria di progettazione.

“C'è senza dubbio di che i materiali della generazione seguente hanno bisogno di essere multifunzionale, adattabile e musicale.„ Amir detto Alavi, assistente universitario di assistenza tecnica e di bioingegneria civili ed ambientali, che piombo il laboratorio del iSMaRT. “Non potete raggiungere queste funzionalità con i materiali naturali soli--avete bisogno dei sistemi del materiale composito ibrido o in cui ogni livello costituente offre la sua propria funzionalità.

I sistemi metamaterial consapevoli che abbiamo inventato possiamo offrire queste caratteristiche fondendo metamaterial avanzato ed energia che raccoglie le tecnologie al multiscale, se è uno stent medico, ammortizzatore o un'ala dell'aeroplano.„

Mentre quasi tutti materiali dipercezione esistenti sono compositi che contano sui moduli differenti delle fibre del carbonio come percezione dei moduli, offerte di questo nuovo concetto completamente un differente, eppure efficiente, approccio a creare il sensore ed i sistemi del materiale di nanogenerator. Il concetto proposto conta di progettazione e del montaggio prestazione-adattati delle microstrutture materiali.

Il materiale è progettato tali che sotto pressione, l'contatto-elettrificazione si presenta fra i sui livelli conduttivi e dielettrici, creanti una carica elettrica che trasmette le informazioni sullo stato del materiale. Inoltre, eredita naturalmente i beni meccanici eccezionali dei metamaterials, come compressibilità negativa e la resistenza ultraelevata a deformazione. La potenza generata dal suo meccanismo triboelettrico incorporato di nanogenerator elimina l'esigenza di un'alimentazione separata: tali sistemi materiali possono sfruttare le centinaia di watt di potenza alle larghe scale.

“Un commutatore del gioco,„ dal cuore umano agli habitat dello spazio

Crediamo che questa invenzione sia un commutatore del gioco nella scienza metamaterial dove la multifunzionalità ora sta guadagnando molta trazione. Mentre una parte sostanziale degli sforzi correnti in questa area soltanto sta entrando in esplorazione dei beni meccanici nuovi, stiamo andando un punto più avanti introducendo i meccanismi dicarico e dipercezione rivoluzionari nel fabbricato dei sistemi materiali.„

Kaveh Barri, autore principale di studio e studente di laurea nel laboratorio di Alavi, università di Pittsburgh

“Il nostro contributo più emozionante è che stiamo costruendo i nuovi aspetti di intelligenza nella tessitura dei metamaterials. Possiamo trasformare letteralmente tutto il sistema materiale nella percezione i media e dei nanogenerators nell'ambito di questo concetto,„ Gloria aggiunta Zhang, autore del co-cavo e studente di laurea nel laboratorio di Alavi.

I ricercatori hanno creato le progettazioni multiple del prototipo per varie applicazioni di assistenza tecnica civile, aerospaziale e biomedica. Ad un su scala ridotta, uno stent del cuore facendo uso di questa progettazione può essere usato per riflettere il flusso sanguigno ed individuare i segni del restenosis, o la ri-limitazione di un'arteria. La stessa progettazione egualmente è stata usata ad un disgaggio molto più grande per creare un raggio meccanico-musicale adatto a ponte che potrebbe auto-video per i difetti sulla sua struttura.

Questi materiali hanno potenziale enorme oltre terra, pure. Un materiale consapevole utilizza nè le fibre nè le spirali del carbonio; è leggero nella massa, in basso nella densità, in basso nel costo, altamente evolutivo e può essere da costruzione facendo uso di una vasta gamma materiali organici ed inorganici. Quelle qualità rendono loro l'ideale per uso nell'esplorazione spaziale futura.

“Completamente capire il potenziale enorme di questa tecnologia, immagini come possiamo anche adattare questo concetto per costruire gli habitat dipotenza dello spazio del strutturale-suono facendo uso soltanto dei materiali nazionali su Marte e di là. Realmente stiamo esaminando questo ora,„ ha detto Alavi. “Potete creare i sistemi nani, micro-, di macro e del mega-disgaggio materiali nell'ambito di questo concetto. Ecco perché sono sicuro che questa invenzione può sviluppare le fondamenta per una nuova generazione di strutture viventi di assistenza tecnica che rispondono agli stimoli esterni, auto-video il loro stato e si alimentano.„

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.