Itsetietoisia ja omavoimaisia materiaaleja

Kuva uudenlaisesta itsetietoisesta metamateriaalijärjestelmästä, jota käytetään sepelvaltimon stentissä. Siellä rakenne voi havaita vahingolliset muutokset aivan kuin suuremmassa mittakaavassa siltapalkeissa, jossa muutoksia voidaan tarkkailla ilman ulkopuolista energialähdettä.

Suurempi kuva

Pittsburghin yliopiston Swanson teknillisen korkeakoulun iSMaRT-laboratorio on suunnitellut uuden luokan materiaaleja, jotka ovat sekä antureita että nanogeneraattoreita.

Äskettäin julkaistussa tutkimuksessa kuvataan uutta metamateriaalijärjestelmää, joka toimii omana anturina, joka tallentaa ja välittää tärkeitä tietoja paineesta ja jännityksistä rakenteissaan. Kehitetty "itsetietoinen metamateriaali" tuottaa myös oman käyttövoimansa ja sitä voidaan käyttää monenlaisiin tunnistus- ja valvontasovelluksiin.

Työn innovatiivisin osa on sen skaalautuvuus: sama periaate toimii sekä nano- että megaskaalalla yksinkertaisesti räätälöimällä suunnittelugeometria.

"Ei ole epäilystäkään siitä, että seuraavan sukupolven materiaalien on oltava monitoimisia, mukautuvia ja viritettäviä," sanoo rakennus- ja ympäristötekniikan ja biotekniikan apulaisprofessori Amir Alavi, joka johtaa iSMaRT-laboratoriota.

"Näitä ominaisuuksia ei voida saavuttaa pelkästään luonnonmateriaaleilla - tarvitset hybridi- tai komposiittimateriaalijärjestelmiä, joissa kukin osatekijä tarjoaa oman toiminnallisuutensa. Keksimämme itsetietoiset metamateriaalijärjestelmät voivat tarjota nämä ominaisuudet yhdistämällä edistyneitä metamateriaaleja ja energiankeräystekniikoita, olipa kyseessä sitten lääketieteellinen stentti, iskunvaimennin tai lentokoneen siipi."

Materiaali on suunniteltu siten, että paineen alaisena sen sähköä johtavan ja dielektrisen kerroksen välillä tapahtuu kontaktisähköistymistä, mikä luo käyttötehoksi käytettävän sähkövarauksen mutta välittää myös informaatiota materiaalin kunnosta. Lisäksi se perii metamateriaalien omat mekaaniset ominaisuudet.

"Uskomme, että tämä keksintö on pelin muuttaja metamateriaalitieteessä, jossa monitoiminnallisuus on nyt saamassa paljon vetovoimaa", kertoo tohtorikoulutettava Kaveh Barri. "Vaikka huomattava osa tämän alan nykyisistä ponnisteluista on vain mennyt uusien mekaanisten ominaisuuksien tutkimiseen, olemme menossa askeleen pidemmälle tuomalla mullistavia itsevaraavia ja itsetunnistavia mekanismeja materiaalijärjestelmien pariin."

”Mielenkiintoisin panoksemme on, että suunnittelemme älykkyyden uudet näkökohdat metamateriaalien tekstuuriin. Voimme kirjaimellisesti muuttaa minkä tahansa materiaalijärjestelmän tunnistavaksi väliaineiksi ja nanogeneraattoreiksi tämän konseptin mukaisesti”, lisäsi Gloria Zhang, toinen tohtorikoulutettava Alavin laboratoriossa.

Tutkijat ovat luoneet useita prototyyppimalleja erilaisille siviili-, ilmailu- ja biolääketieteellisille sovelluksille. Pienemmässä mittakaavassa sydänstenttiä voidaan käyttää verenkierron seuraamiseen ja restenoosin eli valtimon uudelleen kapenemisen havaitsemiseen. Suuremmassa mittakaavassa siitä voida luoda siltaan sopiva mekaanisesti viritettävä rakenne, joka pystyy itsevalvomaan siltarakenteen vikoja.

Näillä materiaaleilla on valtava potentiaali myös maan ulkopuolella. Itsetietoinen materiaali ei käytä hiilikuituja eikä keloja; niillä on kevyt massa, alhainen tiheys, edullinen hinta, erittäin skaalautuva ja se voidaan valmistaa käyttämällä laajaa valikoimaa orgaanisia ja epäorgaanisia materiaaleja. Nämä ominaisuudet tekevät niistä ihanteelliset käytettäväksi avaruuden tutkimuksissa.

Aiheista aiemmin:

Metamateriaali ratkoo yhtälöitä

E-tekstiilejä ja metamateriaaleja