CDT Una nueva investigación desarrolla un hormigón metamaterial autosensible para sistemas de infraestructuras inteligentes.
Fuente: PITT
El hormigón es el material más utilizado en la industria de la construcción y data del Imperio Romano. Ingenieros de la Universidad de Pittsburgh están reinventando su diseño para el siglo XXI.
Una nueva investigación introduce el hormigón metamaterial para el desarrollo de sistemas de infraestructuras civiles inteligentes. El artículo, “Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure”, presenta un nuevo concepto de sistemas de hormigón ligeros y ajustables mecánicamente que integran funciones de captación y detección de energía.
“La sociedad moderna lleva cientos de años utilizando el hormigón en la construcción, tras su creación por los antiguos romanos”, explica Amir Alavi, profesor adjunto de Ingeniería Civil y Medioambiental en Pitt y autor del estudio. “El uso masivo de hormigón en nuestros proyectos de infraestructuras implica la necesidad de desarrollar una nueva generación de materiales de hormigón que sean más económicos y sostenibles desde el punto de vista medioambiental, pero que ofrezcan funcionalidades avanzadas. Creemos que podemos alcanzar todos estos objetivos introduciendo un paradigma metamaterial en el desarrollo de materiales de construcción”.
Alavi y su equipo ya habían desarrollado metamateriales autoconscientes y explorado su uso en aplicaciones como implantes inteligentes. Este estudio introduce el uso de metamateriales en la creación de hormigón, haciendo posible que el material se diseñe específicamente para su propósito. Atributos como la fragilidad, la flexibilidad y la moldeabilidad pueden ajustarse con precisión en la creación del material, lo que permite a los constructores utilizar menos material sin sacrificar la resistencia o la longevidad.
“Este proyecto presenta el primer metamaterial compuesto de hormigón con supercompresibilidad y capacidad de captación de energía”, afirma Alavi. “Estos sistemas de hormigón ligeros y sintonizables mecánicamente pueden abrir una puerta al uso del hormigón en diversas aplicaciones, como materiales de ingeniería amortiguadores en aeropuertos para ayudar a frenar aviones desbocados o sistemas de aislamiento de bases sísmicas”.
No sólo eso, sino que el material es capaz de generar electricidad. Aunque no puede producir electricidad suficiente para enviarla a la red eléctrica, la señal generada será más que suficiente para alimentar los sensores situados al borde de la carretera. Las señales eléctricas autogeneradas por el hormigón metamaterial bajo excitaciones mecánicas también pueden utilizarse para vigilar daños en el interior de la estructura de hormigón o para controlar terremotos reduciendo su impacto en los edificios.
Con el tiempo, estas estructuras inteligentes podrían incluso alimentar chips incrustados en el interior de las carreteras para ayudar a los coches autoconducidos a navegar por las autopistas cuando las señales GPS sean demasiado débiles o el LIDAR no funcione.
El material está compuesto por celosías de polímero auxético reforzado incrustadas en una matriz de cemento conductora. La estructura compuesta induce la electrificación por contacto entre las capas cuando se activa mecánicamente. El cemento conductor, mejorado con polvo de grafito, sirve de electrodo en el sistema. Los estudios experimentales muestran que el material puede comprimirse hasta un 15% bajo carga cíclica y producir 330 μW de potencia.
El equipo de investigación colabora con el Departamento de Transportes de Pensilvania (PennDOT) a través del Consorcio IRISE de Pitt para desarrollar este hormigón metamaterial y utilizarlo en las carreteras de Pensilvania.
En el proyecto participaron investigadores de la Universidad Johns Hopkins, la Universidad Estatal de Nuevo México, el Instituto de Tecnología de Georgia, el Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Pekín y la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt. El artículo, “Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure”, (DOI: 10.1002/adma.202211027) se publicó en la revista Advanced Materials.
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