Bahan Revolusioner Sadar Diri Membangun Fondasi untuk Struktur Hidup

Ilustrasi sistem metamaterial kesadaran diri baru seperti yang digunakan dalam stent arteri koroner. Konsep ini dapat merasakan restenosis ketika digunakan dalam stent, dan konsep yang sama dapat digunakan dalam skala besar pada balok jembatan untuk memeriksa sendiri cacat pada struktur. Kredit: iSMaRT Lab

Penelitian baru di Nano Energy memperkenalkan material terukur revolusioner yang terasa dan mengalir.

Dari jembatan terbesar hingga fasilitas medis terkecil, sensor ada di mana-mana, dan untuk alasan yang bagus: Kemampuan untuk merasakan dan memantau perubahan sebelum menjadi masalah dapat menghemat biaya dan juga menyelamatkan nyawa. .

Untuk mengatasi potensi ancaman ini dengan lebih baik, Laboratorium Pemantauan Struktural dan Respons Intelektual Fakultas Teknik Universitas Pittsburgh Swanson (iSMaRT) telah merancang kelas bahan baru yang sensitif dan menghasilkan nano, dan siap untuk merevolusi bahan multifungsi teknologi besar dan kecil .

Penelitian, baru-baru ini diterbitkan di Energi Nano, menjelaskan sistem metamaterial baru yang bertindak sebagai sensornya sendiri, merekam dan mengirimkan informasi penting tentang tekanan dan tekanan pada strukturnya. Apa yang disebut “metamaterial sadar diri” menghasilkan kekuatannya sendiri dan dapat digunakan untuk berbagai aplikasi deteksi dan pemantauan.

Aspek paling inovatif dari pekerjaan ini adalah skalabilitasnya: desain yang sama bekerja pada skala nano dan skala besar hanya dengan mengadaptasi geometri desain.

“Tidak ada keraguan bahwa bahan generasi berikutnya akan multifungsi, dapat disesuaikan, dan dapat disetel,” kata Amir Alavi, asisten profesor teknik sipil dan lingkungan dan bioteknologi, yang mengepalai Laboratorium iSMarT. “Anda tidak dapat mencapai karakteristik ini hanya dengan bahan alami – Anda memerlukan sistem material hibrida atau komposit di mana setiap lapisan penyusun menawarkan fungsinya sendiri. Sistem metamaterial sadar diri yang kami ciptakan dapat menawarkan karakteristik ini dengan menggabungkan metamaterial canggih dan teknologi pengumpulan. energi multi-skala, apakah itu stent medis, peredam kejut atau sayap pesawat ”.

Sementara hampir semua bahan sensitif diri yang ada adalah komposit yang mengandalkan berbagai bentuk serat karbon sebagai modul deteksi, konsep baru ini menawarkan pendekatan yang sama sekali berbeda, namun efektif, untuk menciptakan sistem bahan sensor dan nanogenerator. Konsep yang diusulkan didasarkan pada desain yang disesuaikan dengan kinerja dan perakitan struktur mikro material.

Bahan dirancang sedemikian rupa sehingga di bawah tekanan, elektrifikasi kontak terjadi antara lapisan konduktif dan dielektriknya, menciptakan muatan listrik yang mentransmisikan informasi tentang kondisi material. Selain itu, secara alami mewarisi sifat mekanik yang luar biasa dari metamaterial, seperti kompresibilitas negatif dan ketahanan ultra tinggi terhadap deformasi. Daya yang dihasilkan oleh mekanisme nanogenerator triboelektrik yang terintegrasi menghilangkan kebutuhan akan sumber daya terpisah: sistem material semacam itu dapat memanfaatkan daya ratusan watt dalam skala besar.

Sebuah “Game Changer,” dari Hati Manusia ke Kebiasaan Luar Angkasa

“Kami percaya penemuan ini mengubah permainan dalam ilmu metamaterial di mana multifungsi mendapatkan banyak daya tarik hari ini,” kata Kaveh Barri, penulis utama dan mahasiswa doktoral di lab Alavi. “Sementara sebagian besar upaya saat ini di bidang ini semata-mata dalam eksplorasi sifat mekanik baru, kami melangkah lebih jauh dengan memperkenalkan mekanisme revolusioner pengisian otomatis dan kepekaan diri ke dalam jalinan sistem material.”

“Kontribusi kami yang paling menarik adalah bahwa kami merekayasa aspek kecerdasan baru ke dalam struktur metamaterial. Kami benar-benar dapat mengubah sistem material apa pun menjadi media deteksi dan nanogenerator dalam konsep ini,” tambah Gloria Zhang, rekan penulis utama dan mahasiswa doktoral di laboratorium Alavi.

Para peneliti telah menciptakan beberapa prototipe untuk berbagai aplikasi teknik sipil, kedirgantaraan dan biomedis. Pada skala yang lebih kecil, stent jantung yang menggunakan konsep ini dapat digunakan untuk memantau aliran darah dan mendeteksi tanda-tanda restenosis, atau penyempitan arteri. Konsep yang sama juga digunakan pada skala yang jauh lebih besar untuk membuat balok yang dapat disetel secara mekanis untuk jembatan yang dapat memeriksa sendiri cacat pada strukturnya.

Bahan-bahan ini memiliki potensi luar biasa di luar Bumi. Bahan sadar diri tidak menggunakan serat karbon atau gulungan; itu ringan dalam massa, kepadatan rendah, murah, sangat terukur, dan dapat diproduksi menggunakan berbagai bahan organik dan anorganik. Kualitas ini membuat mereka ideal untuk digunakan dalam eksplorasi ruang angkasa di masa depan.

“Untuk sepenuhnya memahami potensi besar dari teknologi ini, bayangkan bagaimana kita juga dapat mengadaptasi konsep ini untuk membangun habitat ruang yang mandiri secara struktural dengan hanya menggunakan bahan-bahan asli di atasnya. Mars dan seterusnya. Kami sedang melihat ini sekarang, “kata Alavi.” Anda dapat membuat sistem material skala nano, mikro, makro, dan mega dalam konsep ini. Itulah sebabnya saya yakin bahwa penemuan ini dapat membangun fondasi untuk generasi baru struktur rekayasa hidup yang merespons rangsangan eksternal, mengendalikan kondisi mereka sendiri, dan memberi makan diri mereka sendiri. ”

Makalah, “Multifungsi Meta-Tribomaterial Nanogenerators untuk Pengumpulan Energi dan Deteksi Aktif” ditulis bersama oleh Zhong Lin Wang, PhD, Ketua Hightower dan Profesor Bupati di Institut Teknologi Georgia, Jun Chen, PhD, Asisten Profesor di Pitt , dan Pengcheng Jiao, PhD, Profesor Riset di Universitas Zhejiang.

Referensi: “Generator nano meta-tribomaterial multifungsi untuk pengumpulan energi dan deteksi aktif” oleh Kaveh Barri, Pengcheng Jiao, Qianyun Zhang, Jun Chen, Zhong Lin Wang dan Amir H. Alavi, 16 April 2021, Energi Nano.
DOI: 10.1016 / j.nanoen.2021.106074

Penelitian ini didukung sebagian oleh NIH dengan nomor premium R21AR075242-01, dan merupakan kelanjutan dari US Provisional Pat. Ser. N ° 63/048943, berjudul “Mekanik Komposit Sadar Diri” Metamaterial dan Metode untuk Membuat Sama, ”dilaporkan dengan Pitt.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Menyelidiki lebih dalam tentang asal usul sinar kosmik dengan gerakan Brown geometris

Representasi skema sinar kosmik yang merambat melalui awan magnetik. Kredit: Salvatore Buonocore Model simulasi menyediakan langkah pertama dalam mengembangkan algoritma untuk meningkatkan metode deteksi. Sinar...

Penyerapan elektron terpisah yang ditangkap dalam film

Film menangkap gambar penangkapan elektron terpisah. Kredit: Javier Marmolejo Para peneliti di Universitas Gothenburg telah mengamati penyerapan satu elektron oleh tetesan melayang dengan amplitudo...

Perlindungan probiotik? Bakteri Usus Ditemukan Melindungi Usus Terhadap Virus COVID-19

Para peneliti dari Universitas Yonsei di Korea Selatan telah menemukan bahwa bakteri tertentu yang hidup di usus manusia mengeluarkan obat yang menghambat SARS-CoV-2. ...

Menggali sejarah populasi Neanderthal menggunakan DNA nuklir purba dari sedimen gua

Galeri patung gua di Spanyol utara. Penulis: Javier Trueba - film sains Madrid DNA mitokondria manusia purba telah diekstraksi dari deposit gua, tetapi nilainya...

Sakelar Semikonduktor Berpanduan Laser untuk Komunikasi Generasi Selanjutnya

Insinyur Laboratorium Nasional Lawrence Livermore telah menemukan jenis baru sakelar semikonduktor yang digerakkan oleh laser yang secara teoritis dapat mencapai kecepatan lebih tinggi pada...

Newsletter

Subscribe to stay updated.