Les matériaux « conscience de soi » constituent la base des structures vivantes –

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  • Des plus gros ponts aux plus petits implants médicaux, les capteurs sont partout, et pour cause : la capacité de détecter et de surveiller les changements avant qu’ils ne deviennent des problèmes peut être à la fois économique et vitale.

    Pour mieux faire face à ces menaces potentielles, le laboratoire Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) de la Swanson School of Engineering de l’Université de Pittsburgh a conçu une nouvelle classe de matériaux qui sont à la fois des supports de détection et des nanogénérateurs, et sont prêts à révolutionner le matériau multifonctionnel. la technologie grande et petite.

    La recherche, récemment publiée dans Nano énergie, décrit un nouveau système de métamatériaux qui agit comme son propre capteur, enregistrant et relayant des informations importantes sur la pression et les contraintes sur sa structure. Le soi-disant « métamatériau conscient de soi » génère sa propre énergie et peut être utilisé pour un large éventail d’applications de détection et de surveillance.

    La facette la plus innovante du travail est son évolutivité : la même conception fonctionne à la fois à l’échelle nanométrique et à grande échelle simplement en adaptant la géométrie de la conception.

    “Il ne fait aucun doute que les matériaux de la prochaine génération doivent être multifonctionnels, adaptatifs et ajustables.” a déclaré Amir Alavi, professeur adjoint de génie civil et environnemental et de bio-ingénierie, qui dirige le laboratoire iSMaRT. « Vous ne pouvez pas obtenir ces caractéristiques avec des matériaux naturels uniquement – vous avez besoin de systèmes de matériaux hybrides ou composites dans lesquels chaque couche constituante offre sa propre fonctionnalité. Les systèmes de métamatériaux conscients que nous avons inventés peuvent offrir ces caractéristiques en fusionnant des métamatériaux avancés et les technologies de récupération d’énergie à plusieurs échelles, qu’il s’agisse d’un stent médical, d’un amortisseur ou d’une aile d’avion.”

    Alors que presque tous les matériaux auto-détecteurs existants sont des composites qui reposent sur différentes formes de fibres de carbone comme modules de détection, ce nouveau concept offre une approche complètement différente, mais efficace, pour créer des systèmes de capteurs et de matériaux de nanogénérateur. Le concept proposé repose sur une conception et un assemblage de microstructures de matériaux adaptés aux performances.

    Le matériau est conçu de telle sorte que sous pression, une électrification de contact se produit entre ses couches conductrice et diélectrique, créant une charge électrique qui relaie les informations sur l’état du matériau. De plus, il hérite naturellement des propriétés mécaniques exceptionnelles des métamatériaux, comme la compressibilité négative et la très haute résistance à la déformation. La puissance générée par son mécanisme de nanogénérateur triboélectrique intégré élimine le besoin d’une source d’alimentation séparée : de tels systèmes de matériaux peuvent exploiter des centaines de watts de puissance à grande échelle.

    Un « changeur de jeu », du cœur humain aux habitats spatiaux

    “Nous pensons que cette invention change la donne dans la science des métamatériaux où la multifonctionnalité gagne maintenant beaucoup de terrain”, a déclaré Kaveh Barri, auteur principal et doctorant au laboratoire d’Alavi. « Alors qu’une partie substantielle des efforts actuels dans ce domaine se limite à explorer de nouvelles propriétés mécaniques, nous allons encore plus loin en introduisant des mécanismes révolutionnaires d’autocharge et d’autodétection dans le tissu des systèmes matériels. »

    “Notre contribution la plus excitante est que nous intégrons de nouveaux aspects de l’intelligence dans la texture des métamatériaux. Nous pouvons littéralement transformer n’importe quel système matériel en supports de détection et en nanogénérateurs sous ce concept”, a ajouté Gloria Zhang, co-auteur principal et doctorante à Alavi laboratoire.

    Les chercheurs ont créé plusieurs prototypes pour une variété d’applications de génie civil, aérospatial et biomédical. À plus petite échelle, un stent cardiaque utilisant cette conception peut être utilisé pour surveiller le flux sanguin et détecter les signes de resténose, ou le re-rétrécissement d’une artère. La même conception a également été utilisée à une échelle beaucoup plus grande pour créer un faisceau réglable mécaniquement adapté à un pont qui pourrait auto-surveiller les défauts sur sa structure.

    Ces matériaux ont également un potentiel énorme au-delà de la Terre. Un matériau conscient n’utilise ni fibres de carbone ni bobines ; il est léger, de faible densité, peu coûteux, hautement évolutif et il peut être fabriqué à l’aide d’une large gamme de matériaux organiques et inorganiques. Ces qualités les rendent idéales pour une utilisation future dans l’exploration spatiale.

    “Pour bien comprendre l’énorme potentiel de cette technologie, imaginez comment nous pouvons même adapter ce concept pour construire des habitats spatiaux auto-alimentés structurellement sains en utilisant uniquement des matériaux indigènes sur Mars et au-delà. Nous examinons actuellement cette question”, a déclaré Alavi. . “Vous pouvez créer des systèmes de matériaux à nano, micro, macro et méga-échelle sous ce concept. C’est pourquoi je suis convaincu que cette invention peut jeter les bases d’une nouvelle génération de structures vivantes d’ingénierie qui répondent aux stimuli externes, auto-surveiller leur état et s’auto-alimenter.”

    Cette recherche est financée en partie par le NIH sous le numéro d’attribution R21AR075242-01, et c’est une continuation du brevet provisoire américain. Sér. n° 63/048943, intitulé “Self-aware Composite Mechanical Metamaterials and Method for Making Same”, déposé chez Pitt.

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