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Os sentidos revolucionários do material e põem-se, podem conduzir à nova geração de estruturas vivas

Das pontes as mais grandes aos implantes médicos os menores, os sensores estão em toda parte, e para a boa razão: A capacidade para detectar e monitorar mudanças antes que se transformem problemas pode ser economia de gastos e salvamento.

Para melhorar o endereço estas ameaças potenciais, a monitoração estrutural inteligente e laboratório de teste (iSMaRT) da resposta na universidade da escola de Pittsburgh Swanson da engenharia projectaram uma classe nova de materiais que são ambos os media e nanogenerators de detecção, e poised para revolucionar a tecnologia material multifuncional grande e pequena.

A pesquisa, publicada recentemente na energia Nano, descreve um sistema metamaterial novo que actue como seu próprio sensor, gravando e retransmitindo a informação importante sobre a pressão e os esforços em sua estrutura. “O metamaterial auto-ciente assim chamado” gera sua própria potência e pode ser usado para um vasto leque de detectar e de monitorar aplicações.

A faceta a mais inovativa do trabalho é sua escalabilidade: o mesmo projecto trabalha no nanoscale e no megascale simplesmente costurando a geometria de projecto.

“Não há nenhuma dúvida que os materiais da próxima geração precisam de ser multifuncional, adaptável e ajustável.” Amir dito Alavi, professor adjunto da engenharia e da tecnologia biológica civis e ambientais, que conduz o laboratório do iSMaRT. “Você não pode conseguir estas características com os materiais naturais sozinhos--você precisa os sistemas do material híbrido ou composto em que cada camada constitutiva oferece sua própria funcionalidade.

Os sistemas metamaterial auto-cientes que nós inventamos podemos oferecer estas características fundindo metamaterial avançado e energia que colhe tecnologias no multiscale, se é um stent médico, amortecedor ou uma asa do avião.”

Quando quase todos os materiais dedetecção existentes forem os compostos que confiam em formulários diferentes de fibras do carbono como a detecção dos módulos, ofertas deste novo conceito um completamente diferente, contudo eficiente, aproximação a criar o sensor e os sistemas do material do nanogenerator. O conceito propor confia no projecto e no conjunto desempenho-costurados de microestrutura materiais.

O material é projectado tais que sob a pressão, a contacto-electrificação ocorre entre suas camadas condutoras e dieléctricas, criando uma carga elétrica que retransmita a informação sobre a condição do material. Além, herda naturalmente as propriedades mecânicas proeminentes dos metamaterials, como a compressibilidade negativa e a resistência ultra-alta à deformação. A potência gerada por seu mecanismo triboelectric incorporado do nanogenerator elimina a necessidade para uma fonte de energia separada: tais sistemas materiais podem aproveitar centenas de watts da potência em grandes escalas.

Do “um cambiador jogo,” do coração humano aos habitat do espaço

Nós acreditamos que esta invenção é um cambiador do jogo na ciência metamaterial onde o multifunctionality está ganhando agora muita tracção. Quando uma parcela substancial dos esforços actuais nesta área entrar meramente em explorar propriedades mecânicas novas, nós estamos indo uma etapa mais introduzindo mecanismos auto-cobrando e dedetecção revolucionários na tela de sistemas materiais.”

Kaveh Barri, autor principal do estudo e estudante doutoral no laboratório de Alavi, universidade de Pittsburgh

“Nossa contribuição mais emocionante é que nós estamos projectando aspectos novos da inteligência na textura dos metamaterials. Nós podemos literalmente transformar todo o sistema material em detectar media e nanogenerators sob este conceito,” Gloria adicionada Zhang, autor do co-chumbo e estudante doutoral no laboratório de Alavi.

Os pesquisadores criaram projectos múltiplos do protótipo para uma variedade de aplicações da engenharia civil, aeroespacial e biomedicável. Em uma escala menor, um stent do coração que usa este projecto pode ser usado para monitorar a circulação sanguínea e detectar sinais do restenosis, ou o re-redução de uma artéria. O mesmo projecto foi usado igualmente em uma escala muito maior para criar um feixe mecânico-ajustável apropriado para uma ponte que poderia auto-monitor para defeitos em sua estrutura.

Estes materiais têm o potencial enorme além da terra, também. Um material auto-ciente usa nem fibras nem bobinas do carbono; é claro na massa, baixo na densidade, baixo no custo, altamente escalável, e pode ser fabricado usando uma escala larga de materiais orgânicos e inorgánicos. Aquelas qualidades fazem-lhes o ideal para o uso na exploração do espaço futura.

“Para compreender inteiramente o potencial enorme desta tecnologia, imagine como nós podemos mesmo adaptar este conceito para construir habitat decolocação em movimento do espaço do estrutural-som usando somente materiais nativos em Marte e além. Nós estamos olhando realmente neste agora,” disse Alavi. “Você pode criar micro, do macro e da mega-escala os materiais sistemas nano, sob este conceito. É por isso eu estou seguro que esta invenção pode construir as fundações para uma nova geração de estruturas vivas da engenharia que respondem aos estímulos externos, auto-monitor sua condição, e se põem.”

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.