Arte conceptual que representa un nuevo metamaterial de hormigón en uso en una carretera. Crédito: Amir Alavi vía Midjourney
Los científicos desarrollan concreto metamaterial de autocontrol para sistemas de infraestructura inteligente.
Los ingenieros de la Universidad de Pittsburgh están trayendo el hormigón al siglo XXI al reinventar su diseño. El hormigón, cuyas raíces se remontan al Imperio Romano, sigue siendo el material más utilizado en la industria de la construcción.
Un nuevo estudio presenta un concepto para el desarrollo de sistemas de infraestructura civil inteligente con la introducción del hormigón metamaterial. La investigación presenta un concepto para sistemas de concreto ajustables mecánicamente y livianos con capacidades integradas de captura y detección de energía.
«La sociedad moderna ha utilizado hormigón en la construcción durante cientos de años, siguiendo su creación original por parte de los antiguos romanos», dijo Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Pitt, autor correspondiente del estudio. “El uso masivo de hormigón en nuestros proyectos de infraestructura implica la necesidad de desarrollar una nueva generación de materiales de hormigón que sean más económicos y ambientalmente sostenibles, pero que ofrezcan una funcionalidad avanzada. Creemos que podemos lograr todos estos objetivos introduciendo un paradigma de metamateriales en el desarrollo de materiales de construcción”.
Alavi y su equipo ya desarrollaron metamateriales autoconscientes y exploraron su uso en aplicaciones como los implantes inteligentes. Este estudio presenta el uso de metamateriales en la creación de concreto, permitiendo que el material sea diseñado específicamente para su propósito. Los atributos como la fragilidad, la flexibilidad y la moldeabilidad se pueden ajustar en la creación del material, lo que permite a los constructores usar menos material sin sacrificar la resistencia o la longevidad.
“Este proyecto presenta el primer hormigón metamaterial compuesto con supercompresibilidad y capacidades de recolección de energía”, dijo Alavi. “Estos sistemas de concreto livianos y mecánicamente ajustables podrían abrir una puerta al uso de concreto en una serie de aplicaciones, como materiales de ingeniería amortiguadores en aeropuertos para ayudar a reducir la velocidad de aviones fuera de control o sistemas de aislamiento sísmicos”.
No solo eso, sino que el material es capaz de generar electricidad. Si bien no puede producir suficiente electricidad para enviar energía a la red eléctrica, la señal generada será más que suficiente para alimentar los sensores en la carretera. Las señales eléctricas autogeneradas por metamateriales de hormigón bajo excitaciones mecánicas también se pueden utilizar para monitorear daños dentro de la estructura de hormigón o para monitorear terremotos, reduciendo su impacto en los edificios.
Eventualmente, estas estructuras inteligentes podrían incluso alimentar chips integrados en las carreteras para ayudar a los autos autónomos a navegar por las carreteras cuando las señales de GPS son demasiado débiles o LIDAR no funciona.
El material está compuesto por redes de polímeros auxéticos reforzados incrustados en una matriz de cemento conductor. La estructura compuesta induce la electrificación por contacto entre las capas cuando se acciona mecánicamente. El cemento conductor, reforzado con polvo de grafito, sirve como 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.
Referencia: “Sistemas concretos de metamateriales integrados de nanogeneradores multifuncionales para infraestructura civil inteligente” por Kaveh Barri, Qianyun Zhang, Jake Kline, Wenyun Lu, Jianzhe Luo, Zhe Sun, Brandon E. Taylor, Steven G. Sachs, Lev Khazanovich, Zhong Lin Wang y Amir H. Alavi, 4 de febrero de 2023, Materiales Avanzados.
DOI: 10.1002/adma.202211027
El equipo de investigación se ha asociado con el Departamento de Transporte de Pensilvania (PennDOT) a través del Consorcio IRISE en Pitt para desarrollar este metamaterial de hormigón para su uso en las carreteras de Pensilvania.
El proyecto incluyó 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 Beijing y la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt.
