匹兹堡大学研发兼具发电和传感功能的新型纳米材料

从大型桥梁到小型医疗植入物，传感器已经无处不在，它们所扮演的角色正日益重要。传感器可以持续监测环境变化，在系统出现问题之前发出预警，不仅可以节省成本，关键时刻还可以挽救生命。

冠状动脉内的血管成形支架。利用新型自我感知纳米超材料，可以开发智能心脏支架，长期监测血液流动和动脉狭窄的风险。同样的设计还可以用于大型桥梁，自我监测结构缺陷。

据麦姆斯咨询介绍，有一种被称为“自我感知超材料”的新型纳米材料，它可以收集能量并感知环境的变化，有望引领下一代生物结构材料。

这种具有自我感知能力的新型超材料用途非常广泛，其中包括用于医疗植入物的纳米材料。凭借其能量收集和自我感知能力，可以长期监测植入环境的变化，从而大幅降低成本，改善患者的健康和生活质量。

美国匹兹堡大学斯万森工程学院智能结构监测与响应测试(Intelligent Structural Monitoring and Response Testing, iSMaRT)实验室的研究人员，在这种多功能材料技术领域取得了新的突破，设计开发了一种既是纳米发电机又是传感器的新型纳米材料。

一种新型自我感知超材料

iSMaRT研究人员将其研究成果以“Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing”为题发表于最新的Nano Energy期刊，介绍了一种被命名为“自我感知复合机械超材料(self-aware composite mechanical metamaterial, SCMM)”的新型纳米材料，它可以记录并传送施加在其结构表面的压力和应力信息。

本研究提出的可用于能量收集和主动传感的多功能超材料概念。a、基于SCMM概念设计的超摩擦材料结构。这种新概念的广泛应用包括：b、由SCMM结构网络构成的具有自诊断和能量收集功能的飞行器机翼;c、具有能量收集功能的自感知SCMM减震器;d、自供电和自感知心血管SCMM支架，用于连续监测由于组织过度生长引起的动脉径向压力变化。

不过，据研究人员称，这种新型纳米材料最具创新性的部分是其可扩展性。这种具有自我感知能力的超材料既可以在纳米尺度也可以在宏观尺度下工作，只需要调整材料的设计几何结构即可。

“毫无疑问，下一代新材料需要多功能性、适应性和可调性。”匹兹堡大学土木与环境工程以及生物工程助理教授Amir Alavi表示，“天然材料是无法实现这些特性的，因而需要每层都有助于材料整体功能的混合材料或复合材料系统。”

iSMaRT团队通过将多尺度的先进纳米材料和能量收集技术相结合，开发了具有上述特性的自我感知超材料系统。这些新材料的用途非常广泛，例如，医用支架、新型吸震材料，甚至飞机机翼等。

此外，研究人员开发了一种构建传感器和纳米发电系统的新方案，使具有自我感知能力的超材料成为可能。传统的自我感知材料通常使用基于碳的复合材料制作传感模组，例如采用碳纤维材料的自我感知混凝土。而这种新的纳米材料在对其施加压力时，在导电层和介电层之间会产生接触带电，同时，产生的电荷还可以被材料“读取”。

能够自传感和自充电的2D机械超摩擦学材料。a、一款包含5 x 5单元的3D打印SCMM原型，原始和变形状态。b、基于摩擦电的能量收集和传感模式下SCMM单元的工作原理。c和d、SCMM原型在施加循环载荷下相应产生的电压和电流。

从人类心脏到太空站，突破性应用广泛

“我们相信这项创新设计有望变革超材料科学领域，市场对多功能超材料的关注度越来越高。”iSMaRT实验室博士、该研究主要作者Kaveh Barri说，“尽管研究的很大一部分集中在材料的机械性能探索上，但是我们在材料的自充电和自我感知方面迈出了很大一步。”

“这项研究最令人兴奋的贡献是，我们正在将新维度的智能性设计到超材料的结构中。在这个新的概念设计下，我们完全可以将任何材料系统转化为兼具纳米发电和传感功能的智能化系统。”该研究主要作者、Alavi实验室博士生Gloria Zhang补充道。

研究人员已经针对不同应用构建了多种原型设计，包括民用、航空航天和生物医学应用等。其中，就包括面向心脏支架的小尺寸应用，它可以监测血流，甚至可以主动监测动脉狭窄。