2021-06-01 ｱﾒﾘｶ合衆国・ピッツバーグ大学
・ ピッツバーグ大学が、SCMM(self-aware composite mechanical metamaterial)のコンセプトによる、セルフセンシングとナノ発電機の両機能を備えた革新的なメタ材料システムを開発。
・ 自己にかかる圧力や応力の情報を記憶・伝達し、自ら発電するため、センシングやモニタリングの幅広いアプリケーションでの利用が期待できる。医療ステントから緩衝器、航空機翼まで、ナノ、マイクロ、マクロおよびメガのマルチスケールでの応用が可能。
・ 従来のセルフセンシング材料のほとんどが炭素繊維のセンシングモジュールによる複合材料である一方、新コンセプトは、圧力を利用した性能のカスタム設計と材料の微視的構造のアセンブリーを通じてセンサーとナノ発電機材料システムを作る、効率的なアプローチを提供する。
・ 圧力がかかることで、材料中の導電層と誘電層の間に接触帯電が起こり、材料の状態を伝達する電荷が生じる。さらに、負の圧縮率および変形に対する極めて高い抵抗力等のメタ材料元来の特異的な機械特性も持ち合わせる。内蔵する摩擦帯電によるナノ発電メカニズムで発電するため電源が不要で、規模を拡大すれば数百 W の発電も可能となる。
・ 土木、航空宇宙、バイオ医療の各分野のアプリケーションに向けた多様なプロトタイプ材料を設計。血流のモニタリングや再狭窄の兆候を検出する心臓用ステントや、構造中の欠陥をセルフモニタリングする橋梁に適する機械的調整が可能な梁において、同一の設計が利用できる。
・ また、炭素繊維やコイル等を使用せず、軽量、低密度、低コストで様々な有機・無機材料を使用して作製できるため、例えば火星で得られる物質のみを利用した頑強な構造の自己発電式スペースコロニーのような宇宙開発にも適する。現在、同分野のアプリケーションについて研究を進めている。
・ 同メタ材料システムの開発は、機械的特性の発見に留まることの多いメタ材料科学分野において一歩先を行く、ゲームチェンジャーとなる成果と考える。
・ 本研究は、米国立衛生研究所(NIH)が一部支援 した。また、特許仮出願中の”Self-aware Composite Mechanical Metamaterials and Method for Making Same”を継続出願するもの。
URL: https://www.engineering.pitt.edu/News/2021/Alavi-Self-Aware-Materials/
＜NEDO海外技術情報より＞
（関連情報)
Nano Energy 掲載論文(アブストラクトのみ：全文は有料）
Multifunctional meta-tribomaterial nanogenerators for energy harvesting and active sensing
URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521003311?via%3Dihub
Abstract
Discovering novel multifunctional metamaterials with energy harvesting and sensing functionalities is likely to be the next technological evolution of the metamaterial science. Here, we introduce a novel concept called self-aware composite mechanical metamaterial (SCMM) that can transform mechanical metamaterials into nanogenerators and active sensing mediums. In pursuit of this goal, we examine new paradigms where finely tailored and seamlessly integrated self-recovering snapping microstructures composed of topologically different triboelectric materials can form self-powering and self-sensing meta-tribomaterial systems. We explore various deformation mechanisms required to induce contact electrification between these snapping microstructures under periodic deformations. The multifunctional meta-tribomaterial systems created under the SCMM concept will act as triboelectric nanogenerators capable of generating electrical signals in response to the applied mechanical excitations. The generated electrical signal can be used for active sensing of the applied force and can be stored for empowering sensors and embedded electronics. We conduct theoretical and experimental studies to understand the mechanical and electrical behavior of the multifunctional SCMM systems. The broad application of the proposed SCMM concept for designing artificial materials with novel properties and functionalities is highlighted via prototyping self-powering and self-sensing blood vessel stents and shock absorbers.
