Desde los puentes más grandes hasta los implantes médicos más pequeños, los sensores están en todas partes, y por una buena razón: la capacidad de detectar y monitorear los cambios antes de que se conviertan en problemas puede ahorrar costos y salvar vidas.
Para abordar mejor estas amenazas potenciales, el Laboratorio de Pruebas de Respuesta y Monitoreo Estructural Inteligente iSMaRT de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh ha diseñado una nueva clase de materiales que son tanto medios de detección como nanogeneradores, y están preparados para revolucionar la tecnología.tecnología de materiales multifuncionales grandes y pequeños.
La investigación, publicada recientemente en nano energía, describe un nuevo sistema de metamaterial que actúa como su propio sensor, registrando y transmitiendo información importante sobre la presión y las tensiones en su estructura. El llamado "metamaterial consciente de sí mismo" genera su propio poder y se puede utilizar para una amplia gamade aplicaciones de detección y monitoreo.
La faceta más innovadora del trabajo es su escalabilidad: el mismo diseño funciona tanto a nanoescala como a megaescala simplemente adaptando la geometría del diseño.
"No hay duda de que los materiales de la próxima generación deben ser multifuncionales, adaptables y sintonizables", dijo Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y bioingeniería, que dirige el laboratorio iSMaRT. "No se pueden lograr estas característicassolo con materiales naturales: necesita sistemas de materiales híbridos o compuestos en los que cada capa constituyente ofrezca su propia funcionalidad. Los sistemas de metamateriales autoconscientes que hemos inventado pueden ofrecer estas características fusionando tecnologías avanzadas de recolección de energía y metamateriales a escala múltiple, ya seaes un stent médico, un amortiguador o el ala de un avión ".
Si bien casi todos los materiales de detección automática existentes son compuestos que se basan en diferentes formas de fibras de carbono como módulos de detección, este nuevo concepto ofrece un enfoque completamente diferente, pero eficiente, para crear sistemas de materiales de sensores y nanogeneradores. El concepto propuesto se basa ensobre el diseño y el ensamblaje de microestructuras de materiales adaptados al rendimiento.
El material está diseñado de tal manera que, bajo presión, se produce electrificación por contacto entre sus capas conductoras y dieléctricas, creando una carga eléctrica que transmite información sobre el estado del material. Además, hereda de forma natural las excepcionales propiedades mecánicas de los metamateriales, comocompresibilidad negativa y resistencia ultra alta a la deformación. La energía generada por su mecanismo nanogenerador triboeléctrico incorporado elimina la necesidad de una fuente de energía separada: tales sistemas de materiales pueden aprovechar cientos de vatios de potencia a gran escala.
Un "cambio de juego", del corazón humano a los hábitats espaciales
"Creemos que este invento cambia las reglas del juego en la ciencia del metamaterial, donde la multifuncionalidad está ganando mucha tracción", dijo Kaveh Barri, autor principal y estudiante de doctorado en el laboratorio de Alavi. "Si bien es una parte sustancial de los esfuerzos actuales en esta áreaha estado simplemente explorando nuevas propiedades mecánicas, vamos un paso más allá al introducir revolucionarios mecanismos de autocarga y autodetección en el tejido de los sistemas materiales ".
"Nuestra contribución más emocionante es que estamos diseñando nuevos aspectos de la inteligencia en la textura de los metamateriales. Podemos transformar literalmente cualquier sistema material en medios de detección y nanogeneradores bajo este concepto", agregó Gloria Zhang, coautora principal y estudiante de doctoradoen el laboratorio de Alavi.
Los investigadores han creado múltiples diseños de prototipos para una variedad de aplicaciones de ingeniería civil, aeroespacial y biomédica. A menor escala, un stent cardíaco con este diseño se puede usar para monitorear el flujo sanguíneo y detectar signos de reestenosis o reestenosis.de una arteria. El mismo diseño también se utilizó a una escala mucho mayor para crear una viga sintonizable mecánicamente adecuada para un puente que pudiera autocontrolarse en busca de defectos en su estructura.
Estos materiales también tienen un potencial enorme más allá de la Tierra. Un material autoconsciente no utiliza fibras de carbono ni bobinas; es de masa liviana, de baja densidad, de bajo costo, altamente escalable y se puede fabricar utilizando una ampliavariedad de materiales orgánicos e inorgánicos. Esas cualidades los hacen ideales para su uso en la exploración espacial futura.
"Para comprender completamente el enorme potencial de esta tecnología, imagínese cómo podemos adaptar este concepto para construir hábitats espaciales autoalimentados estructuralmente sólidos utilizando solo materiales autóctonos en Marte y más allá. De hecho, estamos investigando esto en este momento".dijo Alavi. "Se pueden crear sistemas de materiales a nano, micro, macro y megaescala bajo este concepto. Por eso estoy seguro de que esta invención puede sentar las bases para una nueva generación de estructuras vivas de ingeniería que respondan a laestímulos externos, autocontrolar su condición y potenciarse ellos mismos ".
Esta investigación está respaldada en parte por los NIH con el número de premio R21AR075242-01, y es una continuación de la patente provisional de los EE. UU. Número de serie 63/048943, titulada "Metamateriales mecánicos compuestos autoconscientes y método para hacer los mismos,"presentado en Pitt.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pittsburgh . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :