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具有自我意識的材料為生命結構奠定了基礎

導讀從最大的橋梁到最小的醫療植入物,傳感器無處不在,這是有充分理由的:在變化成為問題之前感知和監控變化的能力既可以節省成本又可以挽救生

從最大的橋梁到最小的醫療植入物,傳感器無處不在,這是有充分理由的:在變化成為問題之前感知和監控變化的能力既可以節省成本又可以挽救生命。

為了更好地應對這些潛在威脅,匹茲堡大學斯旺森工程學院的智能結構監測和響應測試 (iSMaRT) 實驗室設計了一類新型材料,既是傳感介質又是納米發電機,并準備徹底改變多功能材料技術大大小小的。

最近發表在《納米能源》上的這項研究描述了一種新的超材料系統,它充當自己的傳感器,記錄和傳遞有關其結構上的壓力和應力的重要信息。所謂的“自我意識超材料”產生自己的能量,可用于廣泛的傳感和監測應用。

這項工作最具創新性的方面是其可擴展性:只需調整設計幾何形狀,即可在納米級和兆級上使用相同的設計。

“毫無疑問,下一代材料需要多功能、自適應和可調。”iSMaRT 實驗室負責人、土木與環境工程和生物工程助理教授 Amir Alavi 說。“僅靠天然材料無法實現這些功能——您需要混合或復合材料系統,其中每個組成層都提供自己的功能。我們發明的具有自我意識的超材料系統可以通過融合先進的超材料來提供這些特性以及多尺度的能量收集技術,無論是醫療支架、減震器還是飛機機翼。”

雖然幾乎所有現有的自感應材料都是依賴于不同形式的碳纖維作為感應模塊的復合材料,但這一新概念提供了一種完全不同但有效的方法來創建傳感器和納米發電機材料系統。所提出的概念依賴于材料微結構的性能定制設計和組裝。

該材料的設計使得在壓力下,其導電層和介電層之間發生接觸帶電,產生電荷,傳遞有關材料狀況的信息。此外,它自然地繼承了超材料的卓越機械性能,如負壓縮性和超高抗變形能力。其內置摩擦納米發電機機制產生的電力消除了對單獨電源的需求:這種材料系統可以大規模利用數百瓦的電力。

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