Un’illustrazione del nuovo sistema metamateriale auto-consapevole utilizzato in uno stent dell’arteria coronaria. Il design può rilevare la restenosi quando viene utilizzato nel moncone e lo stesso design può essere ampiamente utilizzato nelle travi del ponte per l’automonitoraggio dei difetti strutturali. Credito: iSMaRT Lab

La nuova ricerca in Nano Energy presenta un materiale scalabile rivoluzionario che si sente e si rafforza.

Dai ponti più grandi agli impianti medici più piccoli, i sensori sono ovunque e per una buona ragione: la capacità di rilevare e monitorare i cambiamenti prima che diventino problemi può essere un risparmio sui costi e sulla vita.

Per affrontare meglio queste potenziali minacce, l’Intelligent Structured Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Laboratory presso l’Università di Pittsburgh Swanson School of Engineering ha progettato una nuova classe di materiali che sono mezzi di rilevamento e generatori su scala nanometrica, pronti a rivoluzionare la tecnologia dei materiali multifunzionali grandi e piccoli.

La ricerca è stata recentemente pubblicata su Nano energia, descrive un nuovo sistema di metamateriali che funge da proprio sensore, registrando e trasmettendo importanti informazioni sulle pressioni e le sollecitazioni sulla sua struttura. La cosiddetta “supermateria autoconsapevole” genera la propria energia e può essere utilizzata per un’ampia varietà di applicazioni di rilevamento e monitoraggio.

L’aspetto più innovativo del lavoro è la sua scalabilità: lo stesso progetto opera sia su scala nano che macro semplicemente adattando la geometria del progetto.

“Non c’è dubbio che i materiali di nuova generazione devono essere multifunzionali, adattabili e sintonizzabili”, ha affermato Amir Alawi, professore associato di ingegneria civile, ambientale e bioingegneria, che guida il laboratorio iSMaRT. “Non è possibile ottenere queste caratteristiche utilizzando solo materiali naturali: sono necessari sistemi di materiali ibridi o compositi in cui ogni strato componente offre le proprie funzioni. I nostri sistemi di metamateriali auto-consapevoli possono fornire queste proprietà integrando tecnologie avanzate di metamateriali e unendo energia a nuove livelli, che si tratti di un tutore medico, di un ammortizzatore o di un’ala di aeroplano”.

Mentre quasi tutti i materiali auto-rilevanti esistenti sono compositi basati su varie forme di fibre di carbonio come unità di rilevamento, questo nuovo concetto offre un approccio completamente diverso, ma efficace, alla creazione di sistemi di sensori e nanomateriali. Il concetto proposto si basa su un design personalizzato per le prestazioni e l’assemblaggio di strutture di materiali di precisione.

Il materiale è progettato in modo che l’elettrificazione del contatto avvenga sotto pressione tra i suoi strati conduttori e isolanti, determinando una carica elettrica che trasmette informazioni sullo stato del materiale. Inoltre, eredita naturalmente le eccezionali proprietà meccaniche dei metamateriali, come la comprimibilità negativa e la resistenza superiore alla deformazione. La potenza generata dal suo meccanismo Frictional Nanoelectricity integrato elimina la necessità di una fonte di alimentazione separata: questi sistemi di materiali possono sfruttare centinaia di watt di potenza su larga scala.

Un “punto di svolta”, dal cuore umano agli habitat dello spazio

“Crediamo che questa invenzione abbia cambiato le regole del gioco nella scienza dei metamateriali, dove la multifunzionalità sta guadagnando molto slancio”, ha affermato Kaveh Barry, autore principale e studente di dottorato presso Elwi Lab. “Mentre gran parte degli sforzi attuali in questo campo sono stati semplicemente diretti all’esplorazione di nuove proprietà meccaniche, stiamo facendo un passo avanti introducendo rivoluzionari meccanismi di autocaricamento e auto-rilevamento nel tessuto dei sistemi materiali”.

“Il nostro contributo più entusiasmante è che stiamo progettando nuovi aspetti dell’intelligenza nel tessuto dei metamateriali. L’autrice co-leader e dottoranda presso Alavi Lab ha aggiunto Gloria Zhang: “Possiamo letteralmente trasformare qualsiasi sistema fisico in sensori e nanogeneratori in base a questo concetto .”

I ricercatori hanno creato più prototipi per una varietà di applicazioni di ingegneria civile, aerospaziale e biomedica. Su scala ridotta, uno stent cardiaco con questo design può essere utilizzato per monitorare il flusso sanguigno e rilevare segni di restenosi o restringimento di un’arteria. Lo stesso design è stato utilizzato più ampiamente anche per creare una trave regolabile meccanicamente adatta a un ponte che potesse auto-monitorare i guasti nella sua struttura.

Questo materiale ha anche un enorme potenziale extraterrestre. Materiale autoconsapevole che non utilizza né fibre di carbonio né bobine; È leggero in massa, a bassa densità, a basso costo, altamente scalabile e può essere prodotto con un’ampia gamma di materiali organici e inorganici. Queste qualità li rendono ideali per l’uso in future esplorazioni spaziali.

“Per comprendere appieno l’enorme potenziale di questa tecnologia, immagina come potremmo persino adattare questo concetto per costruire habitat spaziali strutturalmente autonomi utilizzando solo materiali originali. Marte e oltre. “In realtà stiamo esaminando questo in questo momento”, ha detto Alavi. “È possibile creare sistemi di materiali nano, nano, macro e massicci all’interno di questo concetto. Ecco perché sono fiducioso che questa invenzione possa gettare le basi per una nuova generazione di strutture viventi ingegnerizzate che rispondono a stimoli esterni, monitorano il proprio stato e potere se stessi”.

Coautori del documento, “Multifunctional Tribomata Meta-Tripomata Nanogenerators for Energy Harvesting and Active Sensing”, Zhong Lin Wang, Ph.D., Hightower Chair e Regent Professor presso il Georgia Institute of Technology, John Chen, Ph.D., Pete assistente professore e Pengcheng Jiao, Ph.D., professore Ricercatore presso l’Università di Zhejiang.

Riferimento: “Nanogeneratori meta-tribomateriali multifunzionali per la raccolta di energia e il rilevamento attivo” di Kaveh Barri, Pengcheng Jiao, Qianyun Zhang, Jun Chen, Zhong Lin Wang, Amir H. Alavi, 16 aprile 2021, Nano energia.
DOI: 10.1016 / j.nanoen.2021.106074

Questa ricerca è supportata in parte dal National Institutes of Health con il numero di riconoscimento R21AR075242-01 ed è una continuazione di un brevetto USA provvisorio. Segreto. N. 63/048943, intitolato “L’autoconsapevolezza è una meccanica composita materiale soprannaturale e un modo per farsi se stessi”, presentato in Pete.