Desde los puentes más grandes hasta los implantes médicos más pequeños, los sensores están en todas partes, y por una buena razón:la capacidad de detectar y monitorear los cambios antes de que se conviertan en problemas puede ahorrar costos y salvar vidas.

Para abordar mejor estas amenazas potenciales, el Laboratorio de Pruebas de Respuesta y Monitoreo Estructural Inteligente (iSMaRT) de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh ha diseñado una nueva clase de materiales que son tanto medios de detección como nanogeneradores, y están preparados para revolucionar la tecnología de materiales multifuncionales, grandes y pequeños.

La investigación, publicado recientemente en Nano energía, describe un nuevo sistema de metamateriales que actúa como su propio sensor, registrar y transmitir información importante sobre la presión y las tensiones en su estructura. El llamado "metamaterial consciente de sí mismo" genera su propio poder y puede usarse para una amplia gama de aplicaciones de detección y monitoreo.

La faceta más innovadora del trabajo es su escalabilidad:el mismo diseño funciona tanto a nanoescala como a megaescala simplemente adaptando la geometría del diseño.

"No hay duda de que los materiales de la próxima generación deben ser multifuncionales, adaptable y sintonizable ", dijo Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y bioingeniería, quien dirige el iSMaRT Lab. "No puede lograr estas características solo con materiales naturales; necesita sistemas de materiales híbridos o compuestos en los que cada capa constituyente ofrezca su propia funcionalidad. Los sistemas de metamateriales autoconscientes que hemos inventado pueden ofrecer estas características fusionando metamateriales avanzados y tecnologías de captación de energía a escala múltiple, ya sea un stent médico, amortiguador o el ala de un avión ".

Si bien casi todos los materiales de detección automática existentes son compuestos que se basan en diferentes formas de fibras de carbono como módulos de detección, este nuevo concepto ofrece un concepto completamente diferente, pero eficiente, enfoque para la creación de sistemas de materiales de sensores y nanogeneradores. El concepto propuesto se basa en el diseño y el ensamblaje de microestructuras de materiales adaptados al rendimiento.

El material está diseñado de tal manera que bajo presión, la electrificación por contacto se produce entre sus capas conductoras y dieléctricas, creando una carga eléctrica que transmite información sobre el estado del material. Además, hereda naturalmente las excepcionales propiedades mecánicas de los metamateriales, como compresibilidad negativa y ultra alta resistencia a la deformación. La energía generada por su mecanismo nanogenerador triboeléctrico incorporado elimina la necesidad de una fuente de energía separada:tales sistemas de materiales pueden aprovechar cientos de vatios de energía a gran escala.

Un 'cambio de juego, 'del corazón humano a los hábitats espaciales

"Creemos que esta invención es un cambio de juego en la ciencia de los metamateriales, donde la multifuncionalidad está ganando mucha tracción ahora, "dijo Kaveh Barri, autor principal y estudiante de doctorado en el laboratorio de Alavi. "Si bien una parte sustancial de los esfuerzos actuales en esta área se ha centrado simplemente en explorar nuevas propiedades mecánicas, vamos un paso más allá al introducir revolucionarios mecanismos de autocarga y autodetección en el tejido de los sistemas materiales ".

"Nuestra contribución más emocionante es que estamos diseñando nuevos aspectos de la inteligencia en la textura de los metamateriales. Podemos transformar literalmente cualquier sistema material en medios de detección y nanogeneradores bajo este concepto, "agregó Gloria Zhang, coautor principal y estudiante de doctorado en el laboratorio de Alavi.

Los investigadores han creado múltiples diseños de prototipos para una variedad de civiles, aplicaciones de ingeniería aeroespacial y biomédica. A menor escala, Se puede utilizar un stent cardíaco con este diseño para controlar el flujo sanguíneo y detectar signos de reestenosis. o el nuevo estrechamiento de una arteria. El mismo diseño también se utilizó a una escala mucho mayor para crear una viga sintonizable mecánicamente adecuada para un puente que pudiera autocontrolarse en busca de defectos en su estructura.

Estos materiales tienen un potencial enorme más allá de la Tierra, así como. Un material autoconsciente no utiliza ni fibras de carbono ni bobinas; es ligero en masa, baja densidad, bajo costo, altamente escalable, y se puede fabricar utilizando una amplia gama de materiales orgánicos e inorgánicos. Esas cualidades los hacen ideales para su uso en la exploración espacial futura.

"Para comprender completamente el enorme potencial de esta tecnología, Imagínense cómo podemos adaptar este concepto para construir hábitats espaciales autoamplificados estructuralmente sólidos utilizando solo materiales autóctonos en Marte y más allá. De hecho, estamos investigando esto ahora mismo, ", dijo Alavi." Puedes crear nano-, micro-, sistemas de materiales a macro y mega escala bajo este concepto. Por eso confío en que esta invención pueda sentar las bases de una nueva generación de estructuras vivas de ingeniería que respondan a los estímulos externos, autocontrolar su condición, y potenciarse a sí mismos ".