新型超材料在冠状动脉支架中的应用示意图。
不论是庞大的桥梁，还是微小的医疗植入物，都需要借助传感器来感知、监测自身变化，以节约成本，挽救生命。phys.org网站当地时间6月1日报道，美国匹兹堡大学智能结构监测与响应测试（iSMaRT）实验室设计了一种新型超材料系统，它既可以作为传感器记录、传递自身结构的压力及应力信息，还能够充当纳米发电机产生能量。这种具有“自我意识”的超材料系统或许将掀起多功能材料技术领域的革命。材料最具创新性的方面在于可伸缩性：工程师可以通过调整材料的几何学设计，使之同时满足纳米尺度和宏观尺度的应用需求。相关研究成果刊登在《纳米能源》杂志中。
iSMaRT助理教授Amir Alavi说：“毫无疑问，新一代材料需要具备多功能性、适应性和可调性。这已经超出了天然材料的能力范畴。”现有的感知材料几乎都是以碳纤维作为感知模块的复合材料。而这次，Alavi团队采用一种完全不同的方法，构建了传感器和纳米发电机系统：材料在受到压力作用时，导电层和介电层之间会发生接触电气化，产生电荷，传递关于材料状态的信息。此外，它还继承了超材料的优异力学性能，如负压缩性和抗形变能力。内置的摩擦电纳米发电机机制经过放大之后，甚至能够发出数百瓦电能。
研究人员表示：“新材料可能是超材料领域的破局者。我们不仅革命性地将自我充电和自我感知机制引入了超材料结构，还在超材料结构中引入了智能元素。在这一概念之下，我们有望将任何材料系统转化为传感介质和纳米发电机。”
Alavi团队已经为民用、航空航天和生物医学工程等领域开发了多台基于新材料的原型设备（如心脏支架、桥梁监测器）。在未来，该材料甚至有望充当探索太空的理想工具。“我们是否有机会在火星上仅凭火星原料建造自供电的太空居住地？团队正在分析其可行性。”Alavi说：“新材料可以用于构建不同尺度的材料系统。这类新一代工程结构能够响应外界刺激、自我监测，并提供动力。”
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：陈之涵
期刊来源：《纳米能源》
期刊编号：2211-2855
原文链接：
https://phys.org/news/2021-06-self-aware-materials-foundation.html
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