Materiais autoconscientes podem sentir seu ambiente - e gerar energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/06/2021

Ilustração do novo metamaterial autoconsciente usado em um stent de artéria coronária.
[Imagem: iSMaRT Lab]

Materiais autoconscientes

Um novo metamaterial, um material artificial, sem paralelo no mundo natural, conseguiu pela primeira vez funcionar como seu próprio sensor, registrando e mostrando informações sobre sua interação com o ambiente.

É o mais próximo que já chegamos de um material "autoconsciente" de sua própria estrutura e de como ela é afetada pelo seu entorno.

E é um passo gigantesco para o campo dos sensores, dispositivos que estão por toda a parte por uma boa razão: A capacidade de detectar e monitorar alterações tem utilidades tão amplas que é a base da internet das coisas.

"Não há dúvida de que os materiais da próxima geração precisam ser multifuncionais, adaptáveis e ajustáveis. Você não pode obter essas propriedades apenas com materiais naturais - você precisa de sistemas híbridos ou compostos, nos quais cada camada constituinte ofereça sua própria funcionalidade.

"Os metamateriais autoconscientes que inventamos podem oferecer essas características ao fundir metamateriais avançados e tecnologias de captação de energia em multiescala, seja um stent médico, um amortecedor ou uma asa de avião," comentou o professor Amir Alavi, da Universidade de Pittsburgh, nos EUA.

O compósito é formado por materiais condutores e não condutores, unidos por cargas eletrostáticas.
[Imagem: Kaveh Barri et al. - 10.1016/j.nanoen.2021.106074]

União eletrostática

O conceito proposto pela equipe baseia-se em projetos sob medida por aplicação, construindo sensores e nanogeradores a partir de unidades básicas em escala micro, que são montadas de forma a obter o melhor desempenho.

Cada compósito é projetado de forma que, sob pressão, suas camadas condutoras e dielétricas sejam unidas pela triboeletricidade - também conhecida como eletrificação por contato -, criando uma carga elétrica que retransmite informações sobre a condição do material.

Cada material herda naturalmente as propriedades mecânicas dos metamateriais, como compressibilidade negativa e resistência excepcional à deformação.

Uma grande vantagem é que a energia gerada por seu mecanismo nanogerador triboelétrico elimina a necessidade de uma fonte de energia separada. De fato, esses compósitos podem ser excelentes coletores de energia, muito além dos já conhecidos nanogeradores, porque podem ser projetados para operar em grandes escalas, coletando centenas de watts.

Vários protótipos comprovaram as múltiplas funcionalidades desse "material autoconsciente" (em cima), que tem inúmeras aplicações potenciais (embaixo).
[Imagem: Kaveh Barri et al. - 10.1016/j.nanoen.2021.106074]

De stents a pontes

Os pesquisadores demonstraram o conceito criando vários protótipos para uma variedade de aplicações de engenharia civil, aeroespacial e biomédica.

Um dos protótipos é uma viga mecanicamente ajustável, adequada para uma ponte que poderia monitorar defeitos em sua estrutura. Em uma escala menor, um stent cardíaco usando este design poderia ser usado para monitorar o fluxo sanguíneo e detectar sinais de reestenose, ou estreitamento de uma artéria.

"Enquanto uma parte substancial dos esforços atuais nesta área tenha se dedicado apenas à exploração de novas propriedades mecânicas, estamos dando um passo adiante ao introduzir mecanismos revolucionários de autocarregamento e autodetecção na estrutura dos sistemas materiais," disse o pesquisador Kaveh Barri.

"Nossa contribuição mais empolgante é que estamos projetando novos aspectos da inteligência na textura dos metamateriais. Podemos literalmente transformar qualquer sistema material em meios de detecção e nanogeradores sob este conceito," acrescentou sua colega Gloria Zhang.

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