juni 25, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Self-Aware Metamaterial System

Revolusjonerende materialer for selvkunnskap bygger grunnlaget for levende strukturer

En illustrasjon av det nye, selvbevisste metamaterialesystemet som brukes i en kranspulsstent. Designet kan oppdage restenose når det brukes i en stent, og det samme designet kan brukes i stor skala i brodragere for å selvovervåke strukturelle mangler. Kreditt: iSMaRT Lab

Ny forskning i Nano Energy presenterer et revolusjonerende skalerbart materiale som sanser og mater seg selv.

Fra de største broene til de minste medisinske implantatene, er sensorer overalt, og med god grunn: evnen til å oppdage og overvåke endringer før de blir problemer, kan spare kostnader og redde liv.

For å bedre takle disse potensielle truslene har Intelligent Structural Monitoring and Response Testing Laboratory (iSMaRT) ved Swanson School of Engineering ved University of Pittsburgh designet en ny klasse materialer som både er gjenkjenningsmiddel og nanogeneratorer, og er forberedt på å revolusjonere multifunksjonelt materiale. stor og liten teknologi.

Forskningen, nylig publisert i Nano-energi, beskriver et nytt metamaterialesystem som fungerer som sin egen sensor, registrerer og overfører viktig informasjon om trykk og spenninger i strukturen. Det såkalte “selvbevisste metamaterialet” genererer sin egen kraft og kan brukes til et bredt spekter av deteksjons- og overvåkingsapplikasjoner.

Den mest innovative fasetten i arbeidet er dets skalerbarhet: den samme designen fungerer både på nanoskala og megaskala bare ved å tilpasse designens geometri.

“Det er ingen tvil om at neste generasjons materialer må være multifunksjonelle, tilpasningsdyktige og avstemmbare,” sa Amir Alavi, assisterende professor i sivil- og miljøteknikk og bioteknologi, som leder iSMaRT-laboratoriet. “Du kan ikke oppnå disse egenskapene bare med naturlige materialer; Hybrid- eller komposittmaterialesystemer er nødvendig der hvert komponentlag tilbyr sin egen funksjonalitet. De selvbevisste metamaterialesystemene vi har oppfunnet, kan levere disse funksjonene ved å smelte sammen avanserte flerskala metamateriale- og energihøstingsteknologier, det være seg en medisinsk stent, støtdemper eller flyfløy. “

READ  Vi har sporet 5 mystiske raske radiobrudd til armene til fjerne spiralgalakser

Mens nesten alle eksisterende automatiske sensormaterialer er kompositter som er avhengige av forskjellige former for karbonfibre som sensormoduler, tilbyr dette nye konseptet en helt annen, men effektiv tilnærming til å lage nanogenerator- og sensormaterialesystemer. Det foreslåtte konseptet er basert på design og montering av mikrostrukturer av materialer tilpasset ytelse.

Materialet er utformet på en slik måte at elektrifisering under trykk skjer ved kontakt mellom dets ledende og dielektriske lag, og skaper en elektrisk ladning som overfører informasjon om materialets tilstand. I tillegg arver den naturlig nok de eksepsjonelle mekaniske egenskapene til metamaterialer, for eksempel negativ kompressibilitet og ultrahøy motstand mot deformasjon. Kraften som genereres av den innebygde triboelektriske nanogeneratormekanismen, eliminerer behovet for en separat strømkilde – slike materialsystemer kan utnytte hundrevis av watt kraft i stor skala.

En “spillveksler”, fra menneskets hjerte til romtyper

“Vi tror denne oppfinnelsen er en spillveksler innen metamaterialvitenskap, der multifunksjonalitet får mye trekkraft,” sa Kaveh Barri, hovedforfatter og doktorgradsstudent i Alavis laboratorium. “Selv om en betydelig del av den nåværende innsatsen på dette området bare har vært fokusert på å utforske nye mekaniske egenskaper, går vi et skritt videre ved å innføre revolusjonerende selvlastende og selvfølende mekanismer i strukturen til materialsystemer.”

“Vårt mest spennende bidrag er at vi konstruerer nye aspekter av intelligens i strukturen til metamaterialer. Vi kan bokstavelig talt forvandle ethvert materiellsystem til deteksjonsmedier og nanogeneratorer under dette konseptet, ”la Gloria Zhang, medforfatter og doktorgradsstudent i Alavis laboratorium.

Forskere har laget flere prototypedesigner for en rekke applikasjoner innen sivil, romfart og biomedisinsk teknologi. I mindre skala kan en hjertestent av dette designet brukes til å overvåke blodstrømmen og oppdage tegn på restenose eller re-innsnevring av en arterie. Den samme designen ble også brukt i mye større skala for å lage en mekanisk avstemmbar bjelke som passer for en bro som kan sjekke selv om det er feil i strukturen.

READ  Antarktisk is viser spor etter mineralsk mineral

Disse materialene har også et enormt potensiale utenfor jorden. Et selvbevisst materiale bruker verken karbonfibre eller spoler; Den er lett, lav tetthet, billig, svært skalerbar og kan produseres ved hjelp av et bredt spekter av organiske og uorganiske materialer. Disse egenskapene gjør dem ideelle for bruk i fremtidig romforskning.

“For å forstå det enorme potensialet med denne teknologien, kan du forestille deg hvordan vi kan tilpasse dette konseptet til å bygge strukturelt sunne, selvdrevne romtyper med bare urfolk i Mars og utover. Vi undersøker faktisk dette akkurat nå, sa Alavi. “Du kan lage materielle systemer i nano, mikro, makro og mega-skala under dette konseptet. Det er derfor jeg er trygg på at denne oppfinnelsen kan legge grunnlaget for en ny generasjon levende ingeniørstrukturer som reagerer på ytre stimuli, selvkontrollerer tilstanden deres og gir energi til seg selv. “

Oppgaven, “Multifunksjonelle Metatribomaterial Nanogenerators for Energy Harvesting and Active Sensing”, var medforfatter av Zhong Lin Wang, PhD, Hightower Chair og Regents ‘professor ved Georgia Institute of Technology, Jun Chen, PhD, assisterende professor ved Pitt og Pengcheng Jiao, PhD, forskningsprofessor ved Zhejiang University.

Referanse: “Multifunksjonelle metatribomateriale nanogeneratorer for energihøsting og aktiv sensing” av Kaveh Barri, Pengcheng Jiao, Qianyun Zhang, Jun Chen, Zhong Lin Wang og Amir H. Alavi, 16. april 2021, Nano-energi.
DOI: 10.1016 / j.nanoen.2021.106074

Denne forskningen støttes delvis av NIH under tilskuddsnummer R21AR075242-01, og er en fortsettelse av US Provisional Patent Ser. No. 63/048943, med tittelen “Self-Conscious Mechanical Compound”. Metamaterialer og metode for å gjøre det samme ”, presentert på Pitt.