Dai ponti più grandi ai più piccoli impianti medici, i sensori sono ovunque, e per una buona ragione:la capacità di rilevare e monitorare i cambiamenti prima che diventino problemi può essere sia un risparmio sui costi che un salvataggio.

Per affrontare meglio queste potenziali minacce, l'Intelligent Structural Monitoring and Response Testing Lab (iSMaRT) presso l'Università di Pittsburgh Swanson School of Engineering ha progettato una nuova classe di materiali che sono sia mezzi di rilevamento che nanogeneratori, e sono pronti a rivoluzionare la tecnologia dei materiali multifunzionali grandi e piccoli.

La ricerca, recentemente pubblicato in nanoenergia, descrive un nuovo sistema metamateriale che funge da proprio sensore, registrando e trasmettendo importanti informazioni sulla pressione e le sollecitazioni sulla sua struttura. Il cosiddetto "metamateriale autocosciente" genera il proprio potere e può essere utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni di rilevamento e monitoraggio.

L'aspetto più innovativo del lavoro è la sua scalabilità:lo stesso design funziona sia su nanoscala che su megascala semplicemente adattando la geometria del design.

"Non c'è dubbio che i materiali di nuova generazione devono essere multifunzionali, adattabile e sintonizzabile." ha detto Amir Alavi, assistente professore di ingegneria civile e ambientale e bioingegneria, chi guida iSMaRT Lab. "Non è possibile ottenere queste caratteristiche con i soli materiali naturali:sono necessari sistemi di materiali ibridi o compositi in cui ogni strato costitutivo offra la propria funzionalità. I ​​sistemi di metamateriali autoconsapevoli che abbiamo inventato possono offrire queste caratteristiche fondendo metamateriali avanzati e tecnologie di energy harvesting a multiscala, che si tratti di uno stent medico, ammortizzatore o un'ala di aeroplano."

Mentre quasi tutti i materiali auto-rilevanti esistenti sono compositi che si basano su diverse forme di fibre di carbonio come moduli di rilevamento, questo nuovo concetto offre un concetto completamente diverso, ma efficiente, approccio alla creazione di sistemi di materiali con sensori e nanogeneratori. Il concetto proposto si basa sulla progettazione e sull'assemblaggio di microstrutture di materiali su misura per le prestazioni.

Il materiale è progettato in modo tale che sotto pressione, l'elettrificazione del contatto avviene tra i suoi strati conduttivo e dielettrico, creando una carica elettrica che trasmette informazioni sullo stato del materiale. Inoltre, eredita naturalmente le eccezionali proprietà meccaniche dei metamateriali, come la compressibilità negativa e l'altissima resistenza alla deformazione. La potenza generata dal meccanismo del nanogeneratore triboelettrico integrato elimina la necessità di una fonte di alimentazione separata:tali sistemi di materiali possono sfruttare centinaia di watt di potenza su larga scala.

Un 'punto di svolta, 'dal cuore umano agli habitat spaziali

"Riteniamo che questa invenzione sia un punto di svolta nella scienza dei metamateriali in cui la multifunzionalità sta ora guadagnando molta trazione, "ha detto Kaveh Barri, autore principale e dottorando nel laboratorio di Alavi. "Mentre una parte sostanziale degli attuali sforzi in questo settore è stata semplicemente dedicata all'esplorazione di nuove proprietà meccaniche, stiamo facendo un ulteriore passo avanti introducendo rivoluzionari meccanismi di autocaricamento e auto-rilevamento nel tessuto dei sistemi materiali".

"Il nostro contributo più entusiasmante è che stiamo progettando nuovi aspetti dell'intelligenza nella trama dei metamateriali. Possiamo letteralmente trasformare qualsiasi sistema materiale in mezzi di rilevamento e nanogeneratori in base a questo concetto, "aggiunse Gloria Zhang, co-autore e studente di dottorato nel laboratorio di Alavi.

I ricercatori hanno creato più prototipi per una varietà di civili, applicazioni di ingegneria aerospaziale e biomedica. A scala minore, uno stent cardiaco con questo design può essere utilizzato per monitorare il flusso sanguigno e rilevare segni di restenosi, o il restringimento di un'arteria. Lo stesso progetto è stato utilizzato anche su scala molto più ampia per creare una trave regolabile meccanicamente adatta per un ponte che potesse automonitorare i difetti sulla sua struttura.

Questi materiali hanno un enorme potenziale oltre la Terra, anche. Un materiale consapevole non utilizza né fibre di carbonio né bobine; è leggero in massa, bassa densità, a basso costo, altamente scalabile, e può essere fabbricato utilizzando un'ampia gamma di materiali organici e inorganici. Queste qualità li rendono ideali per l'uso in future esplorazioni spaziali.

"Per comprendere appieno l'enorme potenziale di questa tecnologia, immagina come possiamo persino adattare questo concetto per costruire habitat spaziali autoalimentati strutturalmente utilizzando solo materiali indigeni su Marte e oltre. In realtà stiamo esaminando questo in questo momento, " disse Alavi. "Puoi creare nano-, micro-, sistemi materiali su macro e mega scala secondo questo concetto. Ecco perché sono fiducioso che questa invenzione possa gettare le basi per una nuova generazione di strutture abitative ingegneristiche che rispondano agli stimoli esterni, auto-monitorare la propria condizione, e si alimentano".