Екип от изследователи от университета в Питсбърг е преработил концепцията за бетон за съвременни приложения. Инженерите са проектирали „метаматериален“ бетон за разработване на интелигентни системи за гражданска инфраструктура.
Метаматериал е всеки материал, проектиран така, че да притежава свойство, което е недостижимо за естествено срещащите се материали. Изследването въвежда използването на метаматериали при създаването на бетон, като предоставя възможност за промяна на неговата крехкост, гъвкавост и оформяне, за да позволи на строителите да използват по-малко материал, без да жертват здравината или дълготрайността му.
Според изследователите използването на бетона в строителството се проследява от стотици години след първоначалното му създаване от древните римляни.
„Масовото използване на бетон в инфраструктурните ни проекти предполага необходимостта от разработване на ново поколение бетонни материали, които са по-икономични и екологично устойчиви, но същевременно предлагат усъвършенствани функционалности.“
казва Амир Алави, доцент по гражданско и екологично инженерство в университета и автор на изследването, в съобщение за медиите
Екипът планира да постигне тези цели, като въведе метаматериална парадигма в разработването на строителни материали за напреднали сценарии на използване.
Материалът предлага висока компресируемост и способност за „събиране“ на енергия
Материалът е изработен от подсилени „ауксетични полимерни решетки, вградени в проводяща циментова матрица“. Според екипа подобна конструкция предизвиква контактна електрификация между слоевете при механично задействане, която се засилва допълнително с графитен прах, който служи като електрод в системата.
Проучванията показват, че материалът може да се компресира до 15% под налягане и да произвежда 330 μW (микровата) енергия. Изследователите твърдят, че проектът предоставя първия композитен материал, който се отличава със свойства на компресируемост и възможности за събиране на енергия.
„Такива леки и механично настройващи се бетонни системи могат да отворят вратата към използването на бетона в различни приложения и системи за изолиране на сеизмични основи.“
казва Амир
Произвежда се достатъчно енергия за работа в приложения с ниска мощност
Проучванията показват, че материалът е достатъчно ефективен, за да произвежда електроенергията, необходима за захранване на крайпътните сензори, например. Освен това „електрическите сигнали, които се самогенерират от метаматериалния бетон при механични възбуждания, могат да се използват и за наблюдение на повредите вътре в бетонната структура или за наблюдение на земетресенията, като се намали въздействието им върху сградите“.
Изследователите се надяват, че тези интелигентни структури ще спомогнат за по-нататъшното развитие на автономното шофиране. Това се дължи на способността на материала да захранва „чипове, вградени в пътищата, които помагат на самоуправляващите се автомобили да се ориентират по магистралите, когато GPS сигналите са твърде слаби или LIDAR не работи“.
Проучването, свързано с изследването – Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure, е публикувано в списание Advanced Materials.