Das maiores pontes aos menores implantes médicos, sensores estão por toda parte, e por um bom motivo:a capacidade de detectar e monitorar as mudanças antes que se tornem problemas pode economizar custos e salvar vidas.

Para lidar melhor com essas ameaças potenciais, o Laboratório de Teste de Resposta e Monitoramento Estrutural Inteligente (iSMaRT) da Escola de Engenharia da Universidade de Pittsburgh Swanson projetou uma nova classe de materiais que são meios de detecção e nanogeradores, e estão preparados para revolucionar a tecnologia de materiais multifuncionais em grandes e pequenos.

A pesquisa, publicado recentemente em Nano Energia, descreve um novo sistema de metamaterial que atua como seu próprio sensor, registrar e transmitir informações importantes sobre a pressão e tensões em sua estrutura. O chamado "metamaterial autoconsciente" gera seu próprio poder e pode ser usado para uma ampla gama de aplicações de detecção e monitoramento.

A faceta mais inovadora do trabalho é sua escalabilidade:o mesmo design funciona tanto em nanoescala quanto em megescala simplesmente adaptando a geometria do design.

"Não há dúvida de que os materiais da próxima geração precisam ser multifuncionais, adaptável e ajustável ", disse Amir Alavi, professor assistente de engenharia civil e ambiental e bioengenharia, quem lidera o Laboratório iSMaRT. "Você não pode alcançar esses recursos apenas com materiais naturais - você precisa de sistemas de material híbrido ou composto em que cada camada constituinte ofereça sua própria funcionalidade. Os sistemas de metamateriais autoconscientes que inventamos podem oferecer essas características ao fundir metamateriais avançados e tecnologias de captação de energia em multiescala, seja um stent médico, amortecedor ou asa de avião. "

Embora quase todos os materiais de autodetecção existentes sejam compostos que dependem de diferentes formas de fibras de carbono como módulos de detecção, este novo conceito oferece uma forma completamente diferente, ainda eficiente, abordagem para a criação de sistemas de materiais de sensor e nanogerador. O conceito proposto baseia-se no projeto sob medida para o desempenho e montagem de microestruturas de materiais.

O material é projetado de forma que, sob pressão, eletrificação de contato ocorre entre suas camadas condutoras e dielétricas, criar uma carga elétrica que retransmite informações sobre a condição do material. Além disso, naturalmente herda as excelentes propriedades mecânicas dos metamateriais, como compressibilidade negativa e ultra-alta resistência à deformação. A energia gerada por seu mecanismo nanogerador triboelétrico integrado elimina a necessidade de uma fonte de energia separada:Esses sistemas de materiais podem aproveitar centenas de watts de energia em grandes escalas.

Uma 'virada de jogo, 'do coração humano aos habitats espaciais

"Acreditamos que esta invenção é uma virada de jogo na ciência dos metamateriais, onde a multifuncionalidade agora está ganhando muita força, "disse Kaveh Barri, autor principal e aluno de doutorado no laboratório de Alavi. "Embora uma parte substancial dos esforços atuais nesta área tenha sido apenas investida na exploração de novas propriedades mecânicas, estamos dando um passo adiante, introduzindo mecanismos revolucionários de auto-carregamento e autodetecção na estrutura dos sistemas materiais. "

"Nossa contribuição mais empolgante é que estamos projetando novos aspectos da inteligência na textura dos metamateriais. Podemos literalmente transformar qualquer sistema material em meios de detecção e nanogeradores sob este conceito, "acrescentou Gloria Zhang, co-autor principal e aluno de doutorado no laboratório de Alavi.

Os pesquisadores criaram vários projetos de protótipos para uma variedade de civil, aplicações de engenharia aeroespacial e biomédica. Em uma escala menor, um stent cardíaco usando este design pode ser usado para monitorar o fluxo sanguíneo e detectar sinais de reestenose, ou o estreitamento de uma artéria. O mesmo projeto também foi usado em uma escala muito maior para criar um feixe mecanicamente ajustável adequado para uma ponte que pudesse monitorar defeitos em sua estrutura.

Esses materiais têm um potencial enorme além da Terra, também. Um material autoconsciente não usa fibras de carbono nem bobinas; é leve em massa, baixa densidade, baixo custo, altamente escalável, e pode ser fabricado com uma ampla variedade de materiais orgânicos e inorgânicos. Essas qualidades os tornam ideais para uso na futura exploração espacial.

"Para compreender totalmente o enorme potencial desta tecnologia, imagine como podemos até mesmo adaptar este conceito para construir habitats espaciais com auto-alimentação estruturalmente sólidos, usando apenas materiais indígenas em Marte e além. Na verdade, estamos investigando isso agora, "disse Alavi." Você pode criar nano-, micro-, sistemas de materiais em macro e mega escala sob este conceito. É por isso que estou confiante de que esta invenção pode construir as bases para uma nova geração de estruturas vivas de engenharia que respondem aos estímulos externos, auto-monitorar sua condição, e o próprio poder. "