Лаборатория интеллектуального структурного мониторинга и тестирования реагирования (iSMaRT) в инженерной школе Университета Питтсбурга разработала новый класс материалов, которые одновременно являются чувствительными средами и наногенераторами.

Система метаматериалов в стенте коронарной артерии / iSMaRT Lab

Новая система из метаматериалов действует как датчик, регистрируя и передавая информацию о давлении и напряжении в своей структуре. Так называемый «самосознающий метаматериал» генерирует свою собственную энергию и может использоваться для широкого спектра приложений зондирования и мониторинга.

Важным аспектом работы является ее масштабируемость: один и тот же дизайн материала работает как в наномасштабе, так и в мегамасштабе.

«Нет сомнений в том, что материалы следующего поколения должны быть многофункциональными, адаптивными и настраиваемыми», — говорит Амир Алави, доцент кафедры гражданской и экологической инженерии и биоинженерии, который возглавляет лабораторию iSMaRT. По его словам, для этого требуются системы гибридных или композитных материалов, в которых каждый слой имеет свои собственные функции.

Разработанные исследователями системы метаматериалов представляют собой композиты, в которых используются различные формы углеродных волокон в качестве сенсорных модулей. Их концепция основана на индивидуальной конструкции и сборке микроструктур.

Материал сконструирован таким образом, что под давлением между его проводящим и диэлектрическим слоями возникает контактная электризация и заряд, который передает информацию о состоянии материала. Кроме того, система обладает отрицательной сжимаемостью и сверхвысокой устойчивостью к деформации. Энергия, генерируемая встроенным механизмом трибоэлектрического наногенератора, устраняет необходимость в отдельном питании.

Ученые считают, что их работа позволит превратить любую материальную систему в воспринимающую среду и наногенераторы.

Исследователи создали несколько прототипов для гражданской, аэрокосмической и биомедицинской инженерии. Так, сердечный стент с таким материалом можно использовать для мониторинга кровотока и обнаружения признаков рестеноза или повторного сужения артерии. Та же самая конструкция использовалась для создания механически настраиваемого луча, подходящего для обнаружения дефектов в конструкции моста.

Самосознательный материал легкий по массе, имеет низкую плотность и стоимость, хорошо масштабируется и может быть изготовлен с использованием широкого спектра органических и неорганических компонентов, говорят разработчики. Эти качества делают материал перспективным для использования в космосе. Исследователи уже изучают, как материал можно применить для создания структурно надежных автономных космических сред обитания, используя только материалы на Марсе и за его пределами.