匹茲堡大學(xué)研發(fā)兼具發(fā)電和傳感功能的新型納米材料

從大型橋梁到小型醫(yī)療植入物，傳感器已經(jīng)無處不在，它們所扮演的角色正日益重要。傳感器可以持續(xù)監(jiān)測環(huán)境變化，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題之前發(fā)出預(yù)警，不僅可以節(jié)省成本，關(guān)鍵時刻還可以挽救生命。

冠狀動脈內(nèi)的血管成形支架。利用新型自我感知納米超材料，可以開發(fā)智能心臟支架，長期監(jiān)測血液流動和動脈狹窄的風(fēng)險。同樣的設(shè)計還可以用于大型橋梁，自我監(jiān)測結(jié)構(gòu)缺陷。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，有一種被稱為“自我感知超材料”的新型納米材料，它可以收集能量并感知環(huán)境的變化，有望引領(lǐng)下一代生物結(jié)構(gòu)材料。

這種具有自我感知能力的新型超材料用途非常廣泛，其中包括用于醫(yī)療植入物的納米材料。憑借其能量收集和自我感知能力，可以長期監(jiān)測植入環(huán)境的變化，從而大幅降低成本，改善患者的健康和生活質(zhì)量。

美國匹茲堡大學(xué)斯萬森工程學(xué)院智能結(jié)構(gòu)監(jiān)測與響應(yīng)測試(Intelligent Structural Monitoring and Response Testing, iSMaRT)實驗室的研究人員，在這種多功能材料技術(shù)領(lǐng)域取得了新的突破，設(shè)計開發(fā)了一種既是納米發(fā)電機(jī)又是傳感器的新型納米材料。

一種新型自我感知超材料

iSMaRT研究人員將其研究成果以“Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing”為題發(fā)表于最新的Nano Energy期刊，介紹了一種被命名為“自我感知復(fù)合機(jī)械超材料(self-aware composite mechanical metamaterial, SCMM)”的新型納米材料，它可以記錄并傳送施加在其結(jié)構(gòu)表面的壓力和應(yīng)力信息。

本研究提出的可用于能量收集和主動傳感的多功能超材料概念。a、基于SCMM概念設(shè)計的超摩擦材料結(jié)構(gòu)。這種新概念的廣泛應(yīng)用包括：b、由SCMM結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的具有自診斷和能量收集功能的飛行器機(jī)翼;c、具有能量收集功能的自感知SCMM減震器;d、自供電和自感知心血管SCMM支架，用于連續(xù)監(jiān)測由于組織過度生長引起的動脈徑向壓力變化。

不過，據(jù)研究人員稱，這種新型納米材料最具創(chuàng)新性的部分是其可擴(kuò)展性。這種具有自我感知能力的超材料既可以在納米尺度也可以在宏觀尺度下工作，只需要調(diào)整材料的設(shè)計幾何結(jié)構(gòu)即可。

“毫無疑問，下一代新材料需要多功能性、適應(yīng)性和可調(diào)性?！逼テ澅ご髮W(xué)土木與環(huán)境工程以及生物工程助理教授Amir Alavi表示，“天然材料是無法實現(xiàn)這些特性的，因而需要每層都有助于材料整體功能的混合材料或復(fù)合材料系統(tǒng)。”

iSMaRT團(tuán)隊通過將多尺度的先進(jìn)納米材料和能量收集技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了具有上述特性的自我感知超材料系統(tǒng)。這些新材料的用途非常廣泛，例如，醫(yī)用支架、新型吸震材料，甚至飛機(jī)機(jī)翼等。

此外，研究人員開發(fā)了一種構(gòu)建傳感器和納米發(fā)電系統(tǒng)的新方案，使具有自我感知能力的超材料成為可能。傳統(tǒng)的自我感知材料通常使用基于碳的復(fù)合材料制作傳感模組，例如采用碳纖維材料的自我感知混凝土。而這種新的納米材料在對其施加壓力時，在導(dǎo)電層和介電層之間會產(chǎn)生接觸帶電，同時，產(chǎn)生的電荷還可以被材料“讀取”。

能夠自傳感和自充電的2D機(jī)械超摩擦學(xué)材料。a、一款包含5 x 5單元的3D打印SCMM原型，原始和變形狀態(tài)。b、基于摩擦電的能量收集和傳感模式下SCMM單元的工作原理。c和d、SCMM原型在施加循環(huán)載荷下相應(yīng)產(chǎn)生的電壓和電流。

 從人類心臟到太空站，突破性應(yīng)用廣泛

“我們相信這項創(chuàng)新設(shè)計有望變革超材料科學(xué)領(lǐng)域，市場對多功能超材料的關(guān)注度越來越高?！眎SMaRT實驗室博士、該研究主要作者Kaveh Barri說，“盡管研究的很大一部分集中在材料的機(jī)械性能探索上，但是我們在材料的自充電和自我感知方面邁出了很大一步?！?/p>

“這項研究最令人興奮的貢獻(xiàn)是，我們正在將新維度的智能性設(shè)計到超材料的結(jié)構(gòu)中。在這個新的概念設(shè)計下，我們完全可以將任何材料系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兼具納米發(fā)電和傳感功能的智能化系統(tǒng)。”該研究主要作者、Alavi實驗室博士生Gloria Zhang補(bǔ)充道。

研究人員已經(jīng)針對不同應(yīng)用構(gòu)建了多種原型設(shè)計，包括民用、航空航天和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。其中，就包括面向心臟支架的小尺寸應(yīng)用，它可以監(jiān)測血流，甚至可以主動監(jiān)測動脈狹窄。