Od najvećih mostova do najmanjih medicinskih implantata, senzori su posvuda, i to s dobrim razlogom: sposobnost uočavanja i praćenja promjena prije nego što se pretvore u prave probleme štedi troškove, a ponekad i živote.

Širok spektar primjena

Laboratorij inteligentnog strukturnog praćenja i ispitivanja odgovora (iSMaRT) na Sveučilištu u Pittsburghu dizajnirao je novu klasu materijala, istovremeno osjetnog medija i nano generatora, koja najavljuje revoluciju u tehnologiji multifunkcionalnih materijala. 

Istraživanje, nedavno objavljeno u časopisu Nano Energy, opisuje novi metamaterijal koji djeluje kao vlastiti senzor, bilježeći i prenoseći važne informacije o pritisku i naprezanjima na njegovu strukturu. Takozvani "samosvjesni metamaterijal" sam sebe napaja i može se koristiti za širok spektar primjena.

Najinovativnija je ipak skalabilnost ovog materijala: isti princip djeluje i u nano i u mega razmjeru, prilagođavanjem geometrije dizajna.

"Materijali sljedeće generacije trebaju biti višenamjenski, prilagodljivi i podesivi", kaže Amir Alavi, voditelj iSMaRT laboratorija. "Da biste to postigli trebaju vam hibridni ili kompozitni materijali u kojima svaki sloj nudi svoju funkcionalnost. Samosvjesni metamaterijali koje smo izmislili mogu ponuditi ove karakteristike spajanjem naprednih metamaterijala i tehnologije sakupljanja energije na više razmjera, bilo da se radi o medicinskom stentu, amortizeru ili krilu zrakoplova."

Novi koncept nudi potpuno drugačiji, ali učinkovit pristup stvaranju senzorskih i nano generatorskih materijala koji se oslanja na sklapanje mikrostruktura po mjeri.

Materijal je dizajniran tako da pod pritiskom dolazi do kontakta između vodljivog i dielektričnog sloja, čime se stvara električni naboj koji prenosi informacije o stanju materijala. Uz to, on prirodno nasljeđuje izvanredna mehanička svojstva metamaterijala, poput negativne kompresibilnosti i ultra visoke otpornosti na deformacije. Snaga generirana ugrađenim mehanizmom triboelektričnog nano generatora eliminira potrebu za zasebnim izvorom energije: takvi materijalni sustavi mogu iskoristiti stotine vata snage u velikim razmjerima.

Od ljudskog srca do svemirskih staništa

Istraživači su stvorili više prototipova za razne civilne, zrakoplovne i biomedicinske primjene. U manjim razmjerima, srčani stent koji koristi ovaj dizajn može se koristiti za praćenje protoka krvi i otkrivanje znakova restenoze ili ponovnog suženja arterije. Isti dizajn također je korišten u mnogo većem mjerilu za stvaranje mehanički podesive grede, pogodne za most koji može samostalno nadzirati nedostatke na svojoj strukturi.

Ovi materijali imaju ogroman potencijal i izvan Zemlje. Samosvjestan materijal ne koristi ni ugljična vlakna ni zavojnice; lagane je mase, male gustoće, niske cijene, vrlo skalabilan i može se izraditi pomoću širokog spektra organskih i anorganskih materijala. Te ih osobine čine idealnim za upotrebu u budućim istraživanjima svemira.

"Da bismo u potpunosti razumjeli ogromni potencijal ove tehnologije, moramo razmišljati o tome kako da ovaj koncept prilagodimo izgradnji strukturno zdravih svemirskih staništa koristeći samo autohtone materijale, na Marsu i šire. Prema ovom konceptu možete stvoriti materijalne sustave nano, mikro, makro i mega razmjera", kaže Alavi, uvjeren da to može stvoriti temelje za novu generaciju inženjerskih živih struktura koje reagiraju na vanjske podražaje, same nadziru svoje stanje i same sebe napajaju.