Materiale scalabile che rileva e si alimenta

I materiali autocoscienti costruiscono le basi per le strutture viventi. La nuova ricerca introduce un materiale scalabile rivoluzionario che rileva e si alimenta.

La scoperta di nuovi metamateriali multifunzionali con funzionalità di raccolta di energia e rilevamento sarà probabilmente la prossima evoluzione tecnologica della scienza dei metamateriali.

Dai ponti più grandi agli impianti medici più piccoli, 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 di costi che di vite.

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 il materiale multifunzionale per ogni tipologia di tecnologia.

La ricerca, recentemente pubblicata su Nano Energy, (1) descrive un nuovo sistema di metamateriali 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 prossima generazione devono essere multifunzionali, adattivi e sintonizzabili». ha affermato il dottor Amir H. Alavi, (2) assistente professore di ingegneria civile e ambientale e bioingegneria, che guida iSMaRT Lab. «Non puoi ottenere queste caratteristiche con i soli materiali naturali: hai bisogno di sistemi di materiali ibridi o compositi in cui ogni strato costitutivo offre la propria funzionalità. I sistemi di metamateriali autoconsapevoli che abbiamo inventato possono offrire queste caratteristiche fondendo metamateriali avanzati e tecnologie di raccolta dell'energia su più scala, che si tratti di uno stent medico, di un ammortizzatore o di 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 approccio completamente diverso, ma efficiente, alla creazione di sistemi di sensori e nanogeneratori. Il concetto proposto si basa sulla progettazione e sull'assemblaggio su misura delle prestazioni di microstrutture di materiali.

Il materiale è progettato in modo tale che sotto pressione, si verifica un'elettrificazione di contatto tra i suoi strati conduttivo e dielettrico, creando una carica elettrica che trasmette informazioni sulla condizione del materiale. Inoltre, eredita naturalmente le eccezionali proprietà meccaniche dei metamateriali, come la comprimibilità 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 affermato il dottor Kaveh Barri, autore principale e studente di dottorato nel laboratorio di Alavi. «Mentre una parte sostanziale degli sforzi attuali in questo settore è stata semplicemente quella di esplorare 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», ha aggiunto la dottoressa Gloria Zhang, co-autrice principale e studentessa di dottorato nell'Alavi's laboratorio.

I ricercatori hanno creato più prototipi per una varietà di applicazioni di ingegneria civile, aerospaziale e biomedica. Su scala ridotta, uno stent cardiaco che utilizza 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 anche oltre la Terra. Un materiale consapevole non utilizza né fibre di carbonio né bobine; è leggero in massa, a 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», ha affermato il dottor Alavi. «È possibile creare sistemi materiali su nano, micro, macro e mega scala con questo concetto. Ecco perché sono fiducioso che questa invenzione possa gettare le basi per una nuova generazione di strutture viventi ingegneristiche che rispondono agli stimoli esterni, auto-monitorare la loro condizione e alimentarsi».

Il documento, “Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing” (DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106074), è stato co-autore di Zhong Lin Wang, PhD, (3) Hightower Chair e Regents' Professor presso il Georgia Institute of Technology, Jun Chen, PhD, (4) Assistant Professor presso Pitt, e Pengcheng Jiao, PhD, (5) Professore di Ricerca presso la Zhejiang University.

Questa ricerca è supportata in parte dal NIH con il numero di aggiudicazione R21AR075242-01 ed è una continuazione del brevetto provvisorio degli Stati Uniti. Ser. n. 63/048943, intitolato “Self-aware Composite Mechanical Metamaterials and Method for Making Same”, depositato presso Pitt.

Riferimenti:

(1) Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing

(2) Amir H. Alavi

(3) Zhong Lin Wang

(4) Jun Chen

(5) Pengcheng Jiao

Descrizione foto: Un'illustrazione del nuovo sistema metamateriale auto-consapevole utilizzato in uno stent dell'arteria coronaria. Il design può rilevare la restenosi quando viene utilizzato in uno stent e lo stesso design può essere utilizzato su larga scala per l'automonitoraggio dei difetti sulla struttura. - Credit: iSMaRT Lab.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Self-Aware Materials Build the Foundation for Living Structures