Matériau auto-alimenté surveille sa propre santé structurelle

Le laboratoire de tests intelligents de surveillance structurelle et de réponse (iSMaRT) de l'École d'ingénierie Swanson de l'Université de Pittsburgh a conçu une nouvelle classe de matériaux auto-conscients.

Le système de métamatériau auto-alimenté est, en effet, son propre capteur, enregistrant et relayant des informations importantes sur la pression et les contraintes sur sa structure. Cette capacité soutient une large gamme d'applications de détection et de surveillance, selon Amir Alavi, professeur adjoint de génie civil et environnemental et de bio-ingénierie, qui dirige le laboratoire iSMaRT.

La recherche de l'équipe a été récemment publiée dans Nano Energy .

« Les systèmes de métamatériaux auto-conscients que nous avons inventés peuvent offrir ces caractéristiques en fusionnant des technologies avancées de métamatériaux et de récupération d'énergie à multi-échelle, qu'il s'agisse d'un stent médical, d'un amortisseur ou d'une aile d'avion », a déclaré le Prof. Alavi .

Les matériaux auto-détectants existants sont des composites qui reposent sur différentes formes de fibres de carbone comme modules de détection. L'approche iSMaRT, par contraste, nécessite la pression.

Sous pression, l'électrification par contact se produit entre les couches conductrices et diélectriques du matériau, créant une charge électrique qui relaie des informations sur l'état du matériau. L'énergie générée par le mécanisme de nanogénérateur triboélectrique intégré à la technologie élimine le besoin d'une source d'alimentation séparée — une percée selon les inventeurs.

« Nous croyons que cette invention change la donne en science des métamatériaux où la multifonctionnalité gagne beaucoup de traction », a dit Kaveh Barri, auteur principal et doctorant dans le laboratoire d'Alavi . « Alors qu'une partie substantielle des efforts actuels dans ce domaine s'est simplement consacrée à l'exploration de nouvelles propriétés mécaniques, nous allons plus loin en introduisant des mécanismes révolutionnaires d'auto-charge et d'auto-détection dans le tissu des systèmes de matériaux. »

Les chercheurs ont créé de multiples prototypes pour une variété d'applications en génie civil, aérospatial et biomédical, des stents cardiaques aux ponts, en passant par l'espace.

« Imaginez comment nous pouvons même adapter ce concept pour construire des habitats spatiaux structuralement sains et auto-alimentés en utilisant uniquement des matériaux indigènes sur Mars et au-delà », a dit Alavi.

Dans une Q&R avec Tech Briefs ci-dessous, le Prof. Alavi explique plus sur les applications possibles du matériau — et à quel point nous sommes proches de structures spatiales auto-conscientes.

Tech Briefs : Quelles applications pourraient bénéficier le plus de l'« auto-conscience » d'un matériau ?

Prof. Amir Alavi : Je suis confiant que la technologie de matériaux auto-conscients aura une large gamme d'applications dans les domaines aérospatial, dispositifs biomédicaux, infrastructures civiles et construction. Nous avons déjà exploré leurs capacités dans l'arène aérospatiale et biomédicale via le prototypage de stents vasculaires auto-alimentés et auto-détectants et d'amortisseurs.

L'application la plus immédiate et bénéfique de cette technologie est la conception d'une nouvelle génération de dispositifs biomédicaux. Sous ce concept, vous pouvez transformer les implants médicaux en capteurs et nanogénérateurs sans avoir à incorporer d'électronique. La beauté du concept est qu'il donne aux gens de nombreuses options de matériaux biocompatibles et même biorésorbables pour fabriquer leurs systèmes implantables et simplement ajuster les propriétés mécaniques des implants pour une performance souhaitée.

Tech Briefs : Voyez-vous d'autres domaines où cette technologie « auto-consciente » sera utile ?

Prof. Amir Alavi : Évidemment, la technologie aura des applications massives dans les infrastructures civiles et la construction car vous pouvez l'utiliser pour concevoir des structures intelligentes légères, peu coûteuses, hautement évolutives et mécaniquement ajustables. En génie civil, nous avons généralement affaire à des méga-structures où vous avez besoin de tonnes de capteurs pour surveiller leur état et leur santé. Ces réseaux denses de capteurs sont difficiles à installer et maintenir dans les structures à grande échelle. Imaginez maintenant une méga-structure auto-consciente (comme un pont) où la structure est elle-même un milieu de détection grâce à un design architectural rationnel et un choix de matériaux constitutifs. Vous pouvez simplement attacher des fils à n'importe quel point de la structure pour collecter des informations sur son état structurel. Ce serait un changement de paradigme dans la technologie de détection distribuée, particulièrement important pour la surveillance continue de nos infrastructures vieillissantes !

Tech Briefs : Quelle application vous enthousiasme le plus ?

Prof. Amir Alavi : L'application la plus excitante de la technologie est l'exploration spatiale, où nous devons compter sur des matériaux indigènes pour construire des habitats spatiaux ! Vous pouvez adapter cette technologie pour créer un habitat unique en son genre, auto-suffisant sur Mars et au-delà. J'imagine cela comme une structure de métamatériau évolutive assez forte pour résister à un environnement hostile et construite uniquement avec des matériaux du sol martien, qui sont abondants selon les mesures de nos sondes spatiales ! L'habitat spatial auto-conscient serait capable de récupérer l'énergie requise en utilisant toute source de vibration là-bas — disons, le vent. En même temps, ces structures collecteraient des informations sur l'environnement d'exploitation et s'auto-surveilleraient. Cette capacité unique d'auto-détection et d'auto-surveillance est pourquoi nous croyons fermement que les matériaux auto-conscients construiront la fondation pour les structures vivantes futures. Nous avons déjà commencé à travailler sur divers aspects de notre technologie pour les applications d'exploration spatiale !

Tech Briefs : Combien de puissance est générée, et comment cette puissance est-elle générée ? (Est-ce assez pour supporter des applications ?)

Prof. Amir Alavi : Nos systèmes de matériaux auto-conscients héritent naturellement des caractéristiques exceptionnelles des nanogénérateurs triboélectriques. Les nanogénérateurs triboélectriques ont montré une densité de puissance significativement élevée (>300 W/m²). La même chose serait vraie pour les matériaux auto-conscients. Pour l'instant, nous nous concentrons sur la récupération d'énergie à faible puissance pour les systèmes intégrables, mais de tels systèmes de matériaux peuvent exploiter des centaines de watts de puissance à grande échelle.

Tech Briefs : À quoi ressemble le métamatériau ? Pouvez-vous nous aider à le visualiser, et ses composants ? Est-il solide ? Comment se sent-il ?

Prof. Amir Alavi : Un métamatériau auto-conscient est un matériau composite artificiel composé de différentes couches de matériaux conducteurs et diélectriques organisées de manière périodique. Le matériau est conçu de telle sorte que, sous pression, l'électrification par contact se produit entre ses couches conductrices et diélectriques, créant une charge électrique qui relaie des informations sur l'état du matériau.

Les couches conductrices et diélectriques dans ce système composite peuvent être choisies parmi une large gamme de matériaux organiques et inorganiques de la série triboélectrique.

Le design du matériau implique des segments à encliquetage qui offrent un comportement auto-récupérateur sous chargement. Ce mécanisme auto-récupérateur aide à créer des cycles de contact-séparation et, par conséquent, l'électrification par contact. Cela formera un champ électrique statique et une différence de potentiel entre les couches conductrices. Les signaux de sortie électriques générés par l'électrification par contact peuvent être utilisés pour la détection active de l'excitation mécanique externe appliquée à la structure. D'autre part, l'énergie électrique générée peut être récupérée et stockée pour alimenter capteurs et électronique.

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Tech Briefs : Les caractéristiques du matériau limitent-elles les applications possibles ?

Prof. Amir Alavi : Il y a une large gamme de matériaux qui peuvent être utilisés pour fabriquer les couches composites. Ce concept est la fusion des concepts de métamatériau et de récupération d'énergie. La beauté des métamatériaux est qu'ils sont des structures artificielles basées sur un design géométrique rationnel et non sur la composition chimique du matériau. Donc vous pouvez ajuster le design pour atteindre presque n'importe quelle performance mécanique désirée. Le seul défi pour nous est que nous devons optimiser divers paramètres liés au design et aux matériaux dans une matrice composite de matériau auto-conscient. Nous prévoyons de nous en occuper en utilisant des modèles computationnels avancés.

Tech Briefs : Pouvez-vous me plonger dans une application ? Comment fonctionnerait, disons, un stent « auto-conscient » ?

Prof. Amir Alavi : Des millions de stents cardiovasculaires sont implantés chaque année. La présence d'un stent dans une artère peut mener à une croissance excessive de tissu artériel qui peut causer un rétrécissement à l'intérieur du stent. Cette complication, connue sous le nom de resténose intra-stent, peut atteindre 50 % chez les patients stentés. Il y a actuellement un besoin sérieux d'une méthode rapide, non invasive et facilement accessible pour détecter la resténose intra-stent. Un stent auto-détectant, biocompatible et non toxique auto-conscient peut être potentiellement déployé pour la surveillance continue des changements hémodynamiques locaux lors de la surcroissance tissulaire et de la resténose intra-stent. Notez que tout rétrécissement dû à la resténose intra-stent changera le signal généré par le stent auto-conscient.

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Les cages de fusion intervertébrale sont largement utilisées en orthopédie. Notre cage de fusion auto-consciente peut donner des informations détaillées sur l'état de la colonne vertébrale pendant le processus de guérison. Normalement, les gens le font en utilisant des méthodes d'imagerie, comme les radiographies ou les scanners CT, qui ne sont pas seulement imprécises mais aussi coûteuses et exposent le patient à une radiation significative.

Cependant, ce sont tous des prototypes de preuve de concept et nous cherchons maintenant du financement pour la traduction clinique.

Tech Briefs : En dehors des applications médicales, comment ce métamatériau fonctionnerait pour, disons, un pont ?

Prof. Amir Alavi : Vous pouvez détecter n'importe quel dommage en suivant les changements des patterns de signal de tension. Par exemple, les fissures changent les patterns de déformation et la concentration de contrainte qui peuvent être captés par un tablier de pont auto-conscient. Toute défaillance pourrait potentiellement décaler le signal d'une ligne de base.

Tech Briefs : Sur quoi travaillez-vous ensuite ?

Prof. Amir Alavi : Vous avez probablement remarqué l'énorme application de cette technologie. Le concept entier est encore à ses débuts, et il y a beaucoup à explorer. Nous devons d'abord obtenir plus de financement pour étudier divers aspects mécaniques et électriques de ces systèmes de matériaux. La performance à long terme de ces dispositifs doit être étudiée aussi. Bien que nous ayons beaucoup à faire dans les domaines biomédical et génie civil, nous étendons aussi notre recherche aux applications d'exploration spatiale de cette technologie.

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