Materiales con capacidad sensorial y para generar energía

Hay sensores haciendo su trabajo en muchos sitios, desde los puentes más grandes hasta los implantes médicos más pequeños. Su presencia en esos sitios es a menudo vital para detectar cambios antes de que se conviertan en problemas, consiguiendo así salvar vidas y también ahorrar costes. Unos científicos han diseñado una nueva clase de materiales que en sí mismos son sensores y nanogeneradores de energía. Este avance podría marcar el inicio de una revolución tecnológica.

El logro es obra de un equipo que incluye a Amir Alavi, Kaveh Barri y Gloria Zhang, todos del laboratorio iSMaRT (Intelligent Structural Monitoring and Response Testing en la Escuela Swanson de Ingeniería de la Universidad de Pittsburgh en Estados Unidos.

El nuevo tipo de metamaterial actúa como su propio sensor, registrando y transmitiendo información importante sobre la presión y las tensiones en su estructura. El metamaterial genera su propia energía y puede utilizarse para una amplia gama de aplicaciones de detección y control.

La faceta más innovadora del trabajo es que el mismo diseño funciona tanto a nanoescala como a megaescala simplemente adaptando la geometría del diseño al tamaño deseado.

Mientras que casi todos los materiales con cierta capacidad de detección existentes son compuestos que se basan en diferentes formas de fibras de carbono a modo de módulos de detección, el nuevo concepto ofrece un enfoque de diseño completamente diferente para crear sistemas eficientes de materiales que ejerzan de sensores y generadores. El concepto propuesto se basa en el diseño y el ensamblaje de microestructuras siguiendo pautas muy específicas.

El material está diseñado de tal modo que, bajo presión, se produce una electrificación por contacto entre sus capas conductoras y dieléctricas, creando una carga eléctrica que transmite información sobre el estado del material. Además, hereda de forma natural las extraordinarias propiedades mecánicas de ciertos metamateriales, como la compresibilidad negativa y una altísima resistencia a la deformación. La energía generada por su mecanismo nanogenerador triboeléctrico incorporado elimina la necesidad de una fuente de energía independiente.

Los investigadores han creado múltiples prototipos para diversas aplicaciones de ingeniería civil, aeroespacial y biomédica. A menor escala, un stent cardíaco (un pequeño tubo implantable para reparación arterial) con este diseño puede utilizarse para controlar el flujo sanguíneo y detectar signos de reestenosis, es decir, el nuevo estrechamiento problemático de una arteria. El mismo diseño se utilizó también a una escala mucho mayor para crear una viga mecánicamente regulable, adecuada para un puente que pudiera autocontrolar los defectos de su estructura.

Ilustración del novedoso metamaterial con capacidad sensorial utilizado en un stent de arteria coronaria. El material puede detectar el estrechamiento de una arteria (reestenosis) cuando se utiliza en un stent, y el mismo diseño puede utilizarse a gran escala en vigas de puentes para autocontrolar los defectos de la estructura. (Imagen: iSMaRT Lab)

Estos materiales también tienen un enorme potencial fuera de la Tierra. Un material con capacidad sensorial que no utiliza fibras de carbono ni bobinas, que es ligero en masa, de baja densidad, de bajo coste, adaptable para objetos de muy variado tamaño y con una composición muy versátil que puede incluir materiales orgánicos e inorgánicos, resulta idóneo para la exploración de otros mundos, como por ejemplo en una futura misión a Marte. En ese sentido, el material podría ser adaptado para construir hábitats espaciales estructuralmente sólidos y autoenergizados, utilizando únicamente materiales autóctonos en Marte y otros mundos.

"Estoy seguro de que este invento puede sentar las bases para una nueva generación de estructuras 'vivas' de ingeniería que reaccionen a los estímulos externos, autocontrolen su estado y se autoenergizen", aventura Alavi.

El equipo de Alavi publica los detalles técnicos de su nuevo material en la revista académica Nano Energy, con el título “Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing”. (Fuente: NCYT de Amazings)