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(Pronto llegará un nuevo material de hormigón)
El hormigón es un material aparentemente común pero indispensable. Su apariencia cambió la forma de construir de los seres humanos y se convirtió en la piedra angular de la arquitectura moderna. Recientemente, científicos estadounidenses han desarrollado la próxima generación de hormigón que puede conducir electricidad y ser compatible con dispositivos inteligentes. Además de ser más resistente y más respetuoso con el medio ambiente, el hormigón metamaterial tiene más ventajas "especiales" para el desarrollo de sistemas de infraestructura civil inteligentes.
¿Por qué se inventó el hormigón metamaterial?
El hormigón se remonta al Imperio Romano y sigue siendo el material más utilizado en la industria de la construcción. Los ingenieros de la Universidad de Pittsburgh han llevado el hormigón al siglo XXI reinventando su diseño.
Amir Alavin, profesor adjunto de ingeniería civil y medioambiental en la Universidad de Pittsburgh, afirmó: "La sociedad moderna ha utilizado el hormigón, que fue inventado por los antiguos romanos, en la construcción durante cientos de años. El uso extensivo del hormigón en nuestros proyectos de infraestructura requiere el desarrollo de una nueva generación de materiales de hormigón. Estos materiales son más económicos, ambientalmente sostenibles y ofrecen una funcionalidad avanzada. La introducción de un paradigma metamaterial para desarrollar materiales de construcción puede lograr estos objetivos.
Llega una nueva generación de hormigón metamaterial autodetector
El equipo ya ha desarrollado nuevos materiales, metamateriales autoconscientes, que son medios de detección y nanogeneradores, y que se espera que cambien la aplicación de materiales multifuncionales, y ahora el equipo está aplicando los metamateriales al hormigón. Esta investigación introduce el uso de metamateriales en la fabricación de hormigón, lo que permite diseñar materiales específicamente para su propósito. Características como la fragilidad, la adaptabilidad y la formabilidad se pueden ajustar a lo largo del procedimiento de producción del material, lo que permite a los constructores utilizar menos material sin comprometer la resistencia ni la longevidad.
"Esta tarea demuestra que el hormigón metamaterial compuesto inicial tiene capacidades de ultracompresibilidad y de recolección de energía. Este sistema de hormigón ligero y mecánicamente ajustable puede abrir camino para el uso del hormigón en muchas aplicaciones, como en aeropuertos. Materiales de ingeniería que absorben los impactos para ayudar a frenar un avión fuera de control o sistemas de aislamiento de bases sísmicas". Además, el producto puede generar energía eléctrica y, si bien no crea suficiente energía eléctrica para alimentar la red, la señal que crea es suficiente para alimentar los sensores de la carretera. Las señales eléctricas que genera el hormigón metamaterial bajo excitación mecánica también se pueden utilizar para realizar un seguimiento de los daños en las estructuras de hormigón o los terremotos, al tiempo que se reduce el efecto en los edificios.
El metamaterial está compuesto por una red de polímero auxiliar reforzada en una matriz de cemento conductor. Los investigadores formaron los electrodos a partir de cemento conductor reforzado con polvo de grafito y un disparador mecánico produjo la electrificación por contacto entre las capas. La estructura compuesta entre cada capa provoca la electrificación por contacto cuando se activa mecánicamente. El equipo también utilizó polvo de grafito para mejorar el adhesivo conductor y servir como electrodo. La investigación especulativa muestra que el material puede comprimirse hasta un 15 % bajo carga cíclica, lo que produce una potencia de 330 μW.
No generará suficiente energía para enviarla a la red eléctrica, pero podría utilizarse para controlar los daños en el interior de las estructuras de hormigón, como los materiales de ingeniería que absorben los impactos en los aeropuertos para ayudar a frenar a los aviones fuera de control o los sistemas de aislamiento antisísmicos.
El equipo también señaló que este tipo de estructura inteligente de hormigón puede incluso alimentar chips en la carretera. En el futuro, los vehículos autónomos podrán seguir conduciendo cuando la señal GPS sea demasiado débil y el lidar no esté funcionando.
Físicamente, el metamaterial se puede ajustar para adaptarse a las necesidades de construcción, cambiando su flexibilidad, forma y fragilidad y, en las pruebas, se puede comprimir hasta un 15% manteniendo su integridad estructural.
Allawi dijo que este proyecto propone el primer hormigón compuesto de metamateriales con capacidad de súper compresibilidad y de captación de energía. "Este sistema de hormigón ligero y mecánicamente ajustable podría abrir la puerta al uso del hormigón en diversas aplicaciones". Puertas, como aeropuertos, materiales de ingeniería que absorben los impactos para ayudar a frenar aeronaves desbocadas o sistemas de aislamiento de bases sísmicas".
El equipo, que incluye ingenieros de 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, cree que este versátil material de hormigón podría convertirse en un componente ampliamente utilizado en infraestructuras, ya que es "escalable, rentable y puede autosostener sus operaciones mediante la recolección de energía ecológica".
Este hormigón metamaterial también se utilizará en las carreteras de Pensilvania a través de la Alianza IRISE de la Universidad de Pittsburgh y el Departamento de Transporte de Pensilvania (PennDOT). Este producto de ingeniería inteligente podría incluso alimentar chips integrados en las carreteras para ayudar a los coches autónomos.
Sin embargo, la investigación señala la necesidad de realizar pruebas a gran escala y más investigaciones sobre cómo los materiales integrados en nanogeneradores que recolectan energía pueden aislarse de los factores estresantes ambientales como la humedad, el clima húmedo y los cambios de temperatura.
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