Samoczułe materiały mogą odmienić współczesne technologie

Opracowano innowacyjne metamateriały do różnych zastosowań

Powstaje nowa generacja metamateriałów, które będą miały szeroki wachlarz zastosowań. Mogą one całkowicie odmienić życie nas wszystkich.

Od największych mostów po najmniejsze implanty medyczne – czujniki są wszędzie i to nie bez powodu. Zdolność do wykrywania i monitorowania zmian, zanim staną się one problemami, mogą być kluczowe do ratowania życia.

Innowacyjne metamateriały

Aby lepiej radzić sobie z potencjalnymi zagrożeniami, laboratorium Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) na University of Pittsburgh Swanson School of Engineering zaprojektowało nową klasę materiałów, które są zarówno nośnikami informacji, jak i nanogeneratorami. Mają one szansę zrewolucjonizować wielofunkcyjne technologie materiałowe różnych rozmiarów.

Badania opublikowane w „Nano Energy” opisują nowe rodzaje metamateriałów, które działają jak własne czujniki, rejestrując i przekazując ważne informacje o ciśnieniu i naprężeniach. Stworzono tzw. samoświadomy metamateriał, który samodzielnie generuje energię i może być wykorzystany do produkcji szerokiej gamy czujników.

Najbardziej innowacyjnym aspektem pracy jest jej skalowalność – ta sama konstrukcja działa zarówno w nanoskali, jak i w dużej skali.

Nie ma wątpliwości, że materiały następnej generacji muszą być wielofunkcyjne i adaptacyjne. Nie da się osiągnąć tych cech wyłącznie za pomocą naturalnych materiałów – potrzebne są hybrydowe lub kompozytowe systemy materiałowe, w których każda warstwa składowa oferuje własną funkcjonalność. Samoświadome systemy metamateriałowe, które wynaleźliśmy, mogą zaoferować te cechy dzięki połączeniu zaawansowanych technologii metamateriałowych i technologii zbierania energii w wielu skalach, niezależnie od tego, czy jest to stent medyczny, amortyzator czy skrzydło samolotu.

dr Amir Alavi, adiunkt inżynierii lądowej i środowiskowej oraz bioinżynierii, kierujący laboratorium iSMaRT

Do serca i do mostu

Podczas gdy prawie wszystkie istniejące samoświadome materiały są kompozytami, które opierają się na różnych formach włókien węglowych jako modułów sensorycznych, nowa koncepcja oferuje zupełnie inne podejście do tworzenia systemów materiałowych czujników i nanogeneratorów.

Nowy materiał jest zaprojektowany w taki sposób, że pod wpływem ciśnienia, pomiędzy jego warstwami przewodzącą i dielektryczną zachodzi kontaktowa elektryfikacja, tworząc ładunek elektryczny, który przekazuje informacje o stanie materiału. Ponadto, w naturalny sposób dziedziczy on wyjątkowe właściwości mechaniczne metamateriałów, takie jak ujemna ściśliwość i ultrawysoka odporność na odkształcenia. Energia generowana przez wbudowany mechanizm nanogeneratora eliminuje potrzebę stosowania oddzielnego źródła zasilania. Takie systemy materiałowe mogą wykorzystywać setki watów mocy w dużych skalach.

Wierzymy, że ten wynalazek zmienia reguły gry w dziedzinie metamateriałów, gdzie wielofunkcyjność zyskuje coraz większą popularność. Podczas gdy znaczna część obecnych wysiłków w tej dziedzinie była poświęcona jedynie badaniu nowych właściwości mechanicznych, my idziemy o krok dalej, wprowadzając rewolucyjne mechanizmy samonaładowania i samoczucia do tkanki systemów materiałowych.

Kaveh Barri, główny autor i doktorant w laboratorium Alavi

Naukowcy stworzyli kilka prototypów do różnych zastosowań w inżynierii cywilnej, lotniczej i biomedycznej. W mniejszej skali, stent sercowy wykorzystujący tę konstrukcję może być używany do monitorowania przepływu krwi i wykrywania oznak restenozy, czyli ponownego zwężenia tętnicy. Ten sam projekt został również wykorzystany w znacznie większej skali do stworzenia mechanicznie regulowanej belki nadającej się do budowy mostu, która może samoczynnie monitorować uszkodzenia swojej struktury.

Materiały te mają ogromny potencjał również poza Ziemią. Samoświadomy materiał nie wykorzystuje włókien węglowych ani cewek – ma niewielką masę, małą gęstość, jest wysoce skalowalny, a poza tym może być wytwarzany przy użyciu szerokiej gamy materiałów organicznych i nieorganicznych. Te cechy czynią je idealnymi do wykorzystania w przyszłej eksploracji kosmosu.

Chcesz być na bieżąco z CHIP? Obserwuj nas w Google News