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  • Les matériaux conscients de soi constituent la base des structures vivantes

    Une illustration du nouveau système de métamatériau auto-conscient tel qu'il est utilisé dans un stent d'artère coronaire. La conception peut détecter la resténose lorsqu'elle est utilisée dans un stent, et la même conception peut être utilisée à grande échelle dans les poutres de pont pour auto-contrôler les défauts sur la structure. Crédit :iSMart Lab

    Des plus grands bridges aux plus petits implants médicaux, les capteurs sont partout, et pour cause :la capacité de détecter et de surveiller les changements avant qu'ils ne deviennent des problèmes peut être à la fois économique et vitale.

    Pour mieux faire face à ces menaces potentielles, le laboratoire Intelligent Structural Monitoring and Response Testing (iSMaRT) de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh a conçu une nouvelle classe de matériaux qui sont à la fois des milieux de détection et des nanogénérateurs, et sont sur le point de révolutionner la technologie des matériaux multifonctionnels, grands et petits.

    La recherche, récemment publié dans Nano énergie, décrit un nouveau système métamatériel qui agit comme son propre capteur, enregistrer et relayer des informations importantes sur la pression et les contraintes sur sa structure. Le soi-disant « métamatériau conscient de soi » génère sa propre énergie et peut être utilisé pour un large éventail d'applications de détection et de surveillance.

    La facette la plus innovante du travail est son évolutivité :la même conception fonctionne à la fois à l'échelle nanométrique et à grande échelle simplement en adaptant la géométrie de la conception.

    "Il ne fait aucun doute que les matériaux de nouvelle génération doivent être multifonctionnels, adaptatif et ajustable", a déclaré Amir Alavi, professeur assistant de génie civil et environnemental et de bio-ingénierie, qui dirige le laboratoire iSMart. « Vous ne pouvez pas obtenir ces caractéristiques avec des matériaux naturels uniquement. Vous avez besoin de systèmes de matériaux hybrides ou composites dans lesquels chaque couche constituante offre sa propre fonctionnalité. Les systèmes de métamatériaux conscients que nous avons inventés peuvent offrir ces caractéristiques en fusionnant des métamatériaux technologies de récupération d'énergie à plusieurs échelles, qu'il s'agisse d'un stent médical, amortisseur ou une aile d'avion."

    Alors que presque tous les matériaux auto-détecteurs existants sont des composites qui reposent sur différentes formes de fibres de carbone comme modules de détection, ce nouveau concept offre un tout autre, pourtant efficace, approche pour créer des systèmes de matériaux de capteurs et de nanogénérateurs. Le concept proposé repose sur une conception et un assemblage de microstructures de matériaux adaptés aux performances.

    Le matériau est conçu de telle sorte que sous pression, une électrification de contact se produit entre ses couches conductrice et diélectrique, créant une charge électrique qui relaie des informations sur l'état du matériau. En outre, il hérite naturellement des propriétés mécaniques exceptionnelles des métamatériaux, comme la compressibilité négative et l'ultra-haute résistance à la déformation. La puissance générée par son mécanisme de nanogénérateur triboélectrique intégré élimine le besoin d'une source d'alimentation séparée :de tels systèmes de matériaux peuvent exploiter des centaines de watts de puissance à grande échelle.

    Un "changeur de jeu, ' du cœur humain aux habitats spatiaux

    "Nous pensons que cette invention change la donne dans la science des métamatériaux où la multifonctionnalité gagne maintenant beaucoup de terrain, " a déclaré Kaveh Barri, auteur principal et doctorant au laboratoire d'Alavi. « Alors qu'une partie substantielle des efforts actuels dans ce domaine se limite à explorer de nouvelles propriétés mécaniques, nous allons encore plus loin en introduisant des mécanismes révolutionnaires d'auto-charge et d'auto-détection dans le tissu des systèmes matériels."

    "Notre contribution la plus excitante est que nous intégrons de nouveaux aspects de l'intelligence dans la texture des métamatériaux. Nous pouvons littéralement transformer n'importe quel système matériel en supports de détection et en nanogénérateurs sous ce concept, " a ajouté Gloria Zhang, co-auteur principal et doctorant au laboratoire d'Alavi.

    Les chercheurs ont créé plusieurs prototypes pour une variété de travaux civils, applications en génie aérospatial et biomédical. A plus petite échelle, un stent cardiaque utilisant cette conception peut être utilisé pour surveiller le flux sanguin et détecter des signes de resténose, ou le re-rétrécissement d'une artère. La même conception a également été utilisée à une échelle beaucoup plus grande pour créer une poutre réglable mécaniquement adaptée à un pont qui pourrait auto-surveiller les défauts de sa structure.

    Ces matériaux ont un potentiel énorme au-delà de la Terre, également. Un matériau conscient n'utilise ni fibres de carbone ni bobines; il est léger en masse, faible densité, à faible coût, hautement évolutif, et il peut être fabriqué en utilisant une large gamme de matériaux organiques et inorganiques. Ces qualités les rendent idéales pour une utilisation future dans l'exploration spatiale.

    "Pour bien comprendre l'énorme potentiel de cette technologie, imaginez comment nous pouvons même adapter ce concept pour construire des habitats spatiaux auto-alimentés structurellement sains en utilisant uniquement des matériaux indigènes sur Mars et au-delà. Nous examinons actuellement cela en ce moment, " a déclaré Alavi. " Vous pouvez créer des nano-, micro-, des systèmes matériels à macro et méga-échelle sous ce concept. C'est pourquoi je suis convaincu que cette invention peut jeter les bases d'une nouvelle génération de structures vivantes d'ingénierie qui répondent aux stimuli externes, auto-surveiller leur état, et s'auto-alimenter."


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