具备“自我意识”的材料_风闻

美国匹兹堡大学智能结构监测与响应测试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并传递自身结构的压力和应力信息，又能充当纳米发电机产生能量。

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。”

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

原文连接：https://phys.org/news/2021-06-self-aware-materials-foundation.html

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