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Los sentidos revolucionarios del material y se mueven por motor, pueden llevar a la nueva generación de estructuras vivas

De los puentes más grandes a los implantes médicos más pequeños, los sensores están por todas partes, y por buena razón: La capacidad de detectar y de vigilar cambios antes de que se conviertan en problemas puede ser ahorro y salvamento.

Para mejorar direccionamiento estas amenazas potenciales, la supervisión estructural inteligente y laboratorio de prueba (iSMaRT) de la reacción en la universidad de la escuela de Pittsburgh Swanson de la ingeniería han diseñado una nueva clase de los materiales que son ambos ambientes y nanogenerators que detectan, y se contrapesan para revolucionar la tecnología material multifuncional grande y pequeña.

La investigación, publicada recientemente en energía nana, describe un nuevo sistema metamaterial que actúe como su propio sensor, registrando y retransmitiendo la información importante sobre la presión y tensiones en su estructura. El supuesto “metamaterial uno mismo-enterado” genera su propia potencia y se puede utilizar para una amplia gama de detectar y de vigilar usos.

La faceta más innovadora del trabajo es su capacidad de conversión a escala: el mismo diseño trabaja en el nanoscale y el megascale simple adaptando la geometría de diseño.

“No hay duda que los materiales de la generación siguiente necesitan ser multifuncional, adaptante y armoniosa.” emir dicho Alavi, profesor adjunto de la ingeniería y de la bioingeniería civiles y ambientales, que lleva el laboratorio del iSMaRT. “Usted no puede lograr estas características con los materiales naturales solos--usted necesita los sistemas del material híbrido o compuesto en los cuales cada capa constitutiva ofrece sus propias funciones.

Los sistemas metamaterial uno mismo-enterados que hemos inventado podemos ofrecer estas características fundiendo metamaterial avanzado y energía que cosecha tecnologías en el multiscale, si es un stent médico, amortiguador de descarga eléctrica o un ala del aeroplano.”

Mientras que casi todos los materiales uno mismo-que detectan existentes son los compuestos que confían en diversas formas de fibras de carbono como detectar los módulos, este nuevo concepto ofrece un totalmente diferente, con todo eficiente, la aproximación a crear el sensor y sistemas del material del nanogenerator. El concepto propuesto confía en diseño y el montaje funcionamiento-adaptados de microestructuras materiales.

El material se diseña tales que bajo presión, la contacto-electrificación ocurre entre sus capas conductoras y dieléctricas, creando una carga eléctrica que retransmita la información sobre la condición del material. Además, hereda naturalmente las propiedades mecánicas excepcionales de metamaterials, como compresibilidad negativa y resistencia ultraalta a la deformación. La potencia generada por su mecanismo triboeléctrico incorporado del nanogenerator elimina la necesidad de una fuente de energía separada: tales sistemas materiales pueden aprovechar centenares de vatios de potencia en los granes escala.

Un “cambiador del juego,” del corazón humano a los hábitats del espacio

Creemos que esta invención es un cambiador del juego en la ciencia metamaterial donde la multifuncionalidad ahora está ganando mucha tracción. Mientras que una porción sustancial de los esfuerzos actuales en esta área ha estado entrando simplemente la exploración de nuevas propiedades mecánicas, vamos un paso más lejos introduciendo mecanismos uno mismo-que cargan y uno mismo-que detectan revolucionarios en el tejido de sistemas materiales.”

Kaveh Barri, autor importante del estudio y estudiante doctoral en el laboratorio de Alavi, universidad de Pittsburgh

“Nuestra contribución más emocionante es que estamos dirigiendo nuevos aspectos de la inteligencia en la textura de metamaterials. Podemos transformar literalmente cualquier sistema material en detectar ambientes y nanogenerators bajo este concepto,” Gloria adicional Zhang, autor del co-guía y estudiante doctoral en el laboratorio de Alavi.

Los investigadores han creado los diseños múltiples del prototipo para una variedad de usos de la ingeniería civil, aeroespacial y biomédica. En una escala más pequeña, un stent del corazón usando este diseño se puede utilizar para vigilar el flujo de sangre y para descubrir signos del restenosis, o re-estrecharse de una arteria. El mismo diseño también fue utilizado en una escala mucho más grande para crear un haz mecánico-armonioso conveniente para un puente que podría uno mismo-monitor para los defectos en su estructura.

Estos materiales tienen potencial enorme más allá de la tierra, también. Un material uno mismo-enterado utiliza ni fibras de carbono ni bobinas; es liviano en masa, bajo en densidad, bajo en el costo, altamente escalable, y puede ser fabricado usando una amplia gama de materiales orgánicos e inorgánicos. Esas calidades les hacen el ideal para el uso en la exploración espacial futura.

“Entender completo el potencial enorme de esta tecnología, imagínese cómo podemos incluso adaptar este concepto para construir hábitats del espacio del estructural-sonido uno mismo-que mueven por motor usando solamente los materiales indígenas en Marte y más allá. Estamos observando real en esto ahora,” dijo a Alavi. “Usted puede crear sistemas nanos, micros, de la macro y de la mega-escala materiales bajo este concepto. Por eso me siento confiado que esta invención puede construir los asientos para una nueva generación de estructuras vivas de la ingeniería que respondan a los estímulos externos, uno mismo-monitor su condición, y se muevan por motor.”

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.