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具有自我意识的材料为生活结构奠定了基础

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妙手带夫 楼主
发布于 2021-06-02 09:41
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Self-aware materials build the foundation for living structures

从最大的桥梁到最小的医疗植入物,传感器无处不在,这是有充分理由的:在变化发生之前感知和监测变化的能力可以节省成本和拯救生命。

为了更好地解决这些潜在的威胁,匹兹堡大学斯旺森工程学院的智能结构监测和响应测试(iSMaRT)实验室设计了一种新型材料,它既是传感介质,也是纳米发电机,并将彻底改变大大小小的多功能材料技术。

这项研究最近发表在 纳米能量,描述了一种新的超材料系统,它作为自己的传感器,记录和传递有关其结构上的压力和应力的重要信息。这种所谓的“自我意识超材料”可以产生自身的能量,并可用于广泛的传感和监测应用。

这项工作最具创新性的方面是它的可伸缩性:通过调整设计几何形状,同一个设计可以在纳米尺度和超大尺度上工作。

领导iSMaRT实验室的土木与环境工程和生物工程助理教授阿米尔·阿拉维(Amir Alavi)说:“毫无疑问,下一代材料需要具有多功能、适应性和可调性。”“单靠天然材料是无法实现这些功能的,你需要混合或复合材料系统,其中每个组成层都有自己的功能。我们发明的自我感知超材料系统可以通过多尺度融合先进的超材料和能量收集技术来提供这些特性,无论是医疗支架、减震器还是飞机机翼。”

虽然几乎所有现有的自感知材料都是依靠不同形式的碳纤维作为感知模块的复合材料,但这个新概念提供了一种完全不同的、但高效的方法来创建传感器和纳米发电机材料系统。提出的概念依赖于材料微结构的性能定制设计和组装。

这种材料被设计成在压力下,导电层和介电层之间会发生接触电气化,产生一种电荷来传递关于材料状态的信息。此外,它自然继承了超材料的优异力学性能,如负压缩性和超高的抗变形能力。这种内置的摩擦电纳米发电机机制产生的电力无需单独的电源:这种材料系统可以在大规模上利用数百瓦的电力。

一个“游戏规则改变者”,从人类心脏到太空栖息地

阿拉维实验室的博士生Kaveh Barri说:“我们相信这项发明是超材料科学领域的游戏规则改变者,在超材料科学领域,多功能正在获得很大的吸引力。”“虽然目前在这一领域的大部分努力仅仅是在探索新的机械性能,但我们正在进一步将革命性的自我充电和自我感知机制引入材料系统的结构中。”

“我们最令人兴奋的贡献是,我们在超材料的结构中设计了智能的新方面。在这一概念下,我们可以将任何材料系统转化为传感介质和纳米发电机,”阿拉维实验室的博士生、联合作者Gloria Zhang补充说。

研究人员已经为各种民用、航空航天和生物医学工程应用创造了多个原型设计。在更小的范围内,使用这种设计的心脏支架可用于监测血流和检测再狭窄或动脉再狭窄的迹象。同样的设计也被用于更大的规模,以创造适合于桥梁的机械可调梁,可以自我监测其结构上的缺陷。

这些材料在地球之外也有巨大的潜力。一种既不使用碳纤维也不使用线圈的自我感知材料;它体积轻,密度低,成本低,可扩展性好,可以使用多种有机和无机材料来制造。这些特性使它们成为未来太空探索的理想工具。

“为了充分了解这项技术的巨大潜力,想象一下我们如何利用这一概念,在火星和其他地方只用本土材料建造结构良好的自供电太空栖息地。”我们现在正在研究这个问题。”“在这个概念下,你可以创建纳米、微观、宏观和超大规模的材料系统。这就是为什么我相信这项发明可以为新一代工程生活结构奠定基础,这些结构可以对外界刺激做出反应,自我监控自己的状况,并提供动力。”


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