Zelfbewuste materialen vormen de basis voor levende structuren

Van de grootste bruggen tot de kleinste medische implantaten, sensoren zijn overal, en met een goede reden: het vermogen om veranderingen waar te nemen en te controleren voordat ze problemen worden, kan zowel kostenbesparend als levensreddend zijn.

Om deze potentiële bedreigingen beter aan te pakken, heeft het Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) Lab van de University of Pittsburgh Swanson School of Engineering een nieuwe klasse materialen ontworpen die zowel detectiemedia als nanogeneratoren zijn, en klaar zijn om een ​​revolutie teweeg te brengen in het multifunctionele materiaal technologie groot en klein.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in Nano-energie, beschrijft een nieuw metamateriaalsysteem dat fungeert als zijn eigen sensor en belangrijke informatie over de druk en spanningen op de structuur vastlegt en doorgeeft. Het zogenaamde “zelfbewuste metamateriaal” genereert zijn eigen kracht en kan worden gebruikt voor een breed scala aan detectie- en monitoringtoepassingen.

Het meest innovatieve facet van het werk is de schaalbaarheid: hetzelfde ontwerp werkt op zowel nanoschaal als megaschaal door simpelweg de ontwerpgeometrie aan te passen.

“Het lijdt geen twijfel dat de volgende generatie materialen multifunctioneel, adaptief en afstembaar moeten zijn.” zei Amir Alavi, assistent-professor civiele en milieutechniek en bio-engineering, die het iSMaRT-lab leidt. “Je kunt deze eigenschappen niet bereiken met alleen natuurlijke materialen – je hebt hybride of composietmateriaalsystemen nodig waarin elke samenstellende laag zijn eigen functionaliteit biedt. De zelfbewuste metamateriaalsystemen die we hebben uitgevonden, kunnen deze kenmerken bieden door geavanceerd metamateriaal en technologieën voor het oogsten van energie op multischaal, of het nu gaat om een ​​medische stent, schokdemper of een vliegtuigvleugel.”

Hoewel bijna alle bestaande zelfgevoelige materialen composieten zijn die afhankelijk zijn van verschillende vormen van koolstofvezels als sensormodules, biedt dit nieuwe concept een compleet andere, maar efficiënte benadering voor het creëren van sensor- en nanogeneratormateriaalsystemen. Het voorgestelde concept is gebaseerd op prestatiegericht ontwerp en assemblage van materiële microstructuren.

Het materiaal is zo ontworpen dat onder druk contactelektrificatie optreedt tussen de geleidende en diëlektrische lagen, waardoor een elektrische lading ontstaat die informatie over de toestand van het materiaal doorgeeft. Bovendien erft het van nature de uitstekende mechanische eigenschappen van metamaterialen, zoals negatieve samendrukbaarheid en ultrahoge weerstand tegen vervorming. Het vermogen dat wordt gegenereerd door het ingebouwde tribo-elektrische nanogeneratormechanisme elimineert de noodzaak van een afzonderlijke stroombron: dergelijke materiaalsystemen kunnen op grote schaal honderden watts aan vermogen benutten.

Een ‘game changer’, van het menselijk hart naar ruimtehabitats

“Wij geloven dat deze uitvinding een game changer is in de metamateriaalwetenschap waar multifunctionaliteit nu veel aandacht krijgt”, zegt Kaveh Barri, hoofdauteur en doctoraalstudent in het laboratorium van Alavi. “Terwijl een aanzienlijk deel van de huidige inspanningen op dit gebied zich alleen maar bezighield met het verkennen van nieuwe mechanische eigenschappen, gaan we een stap verder door revolutionaire zelfopladende en zelfgevoelige mechanismen in het weefsel van materiële systemen te introduceren.”

“Onze meest opwindende bijdrage is dat we nieuwe aspecten van intelligentie in de textuur van metamaterialen ontwikkelen. We kunnen elk materiaalsysteem letterlijk transformeren in detectiemedia en nanogeneratoren onder dit concept”, voegde Gloria Zhang, co-hoofdauteur en doctoraalstudent in Alavi’s laboratorium.

De onderzoekers hebben meerdere prototype-ontwerpen gemaakt voor een verscheidenheid aan civiele, ruimtevaart- en biomedische technische toepassingen. Op kleinere schaal kan een hartstent met dit ontwerp worden gebruikt om de bloedstroom te controleren en tekenen van restenose of de vernauwing van een slagader te detecteren. Hetzelfde ontwerp werd ook op veel grotere schaal gebruikt om een ​​mechanisch afstembare straal te creëren die geschikt was voor een brug die zichzelf kon controleren op defecten aan de structuur.

Deze materialen hebben ook een enorm potentieel buiten de aarde. Een zelfbewust materiaal gebruikt geen koolstofvezels of spoelen; het is licht in massa, laag in dichtheid, laag in kosten, zeer schaalbaar en kan worden gefabriceerd met behulp van een breed scala aan organische en anorganische materialen. Die eigenschappen maken ze ideaal voor gebruik bij toekomstige verkenning van de ruimte.

“Om het enorme potentieel van deze technologie volledig te begrijpen, moet je je voorstellen hoe we dit concept zelfs kunnen aanpassen om structureel gezonde, zelfvoorzienende ruimtehabitats te bouwen met alleen inheemse materialen op Mars en daarbuiten. We onderzoeken dit nu echt,” zei Alavi . “Je kunt onder dit concept nano-, micro-, macro- en megaschaalmateriaalsystemen creëren. Daarom ben ik ervan overtuigd dat deze uitvinding de basis kan leggen voor een nieuwe generatie technische levende structuren die reageren op de externe stimuli, zelf hun toestand in de gaten houden en zichzelf van stroom voorzien.”