Помимо производства электроэнергии, его можно использовать для мониторинга повреждений в конструкции строящихся зданий или для оценки воздействия таких явлений, как землетрясения, на здания.
Ученые из Питтсбургского университета (Pitt) в Пенсильвании (США) намерены вывести бетон на новый уровень, используя метаматериал — гетерогенный набор искусственных материалов, обладающих особыми электромагнитными характеристиками, — для разработки интеллектуальной инфраструктуры.
В своем исследовании они представляют новую концепцию легких и механически регулируемых бетонных систем, обладающих внутренними функциями для обнаружения, генерации и сбора энергии.
«Массовое использование бетона в наших инфраструктурных проектах требует разработки нового поколения бетонных материалов, которые были бы более экономичными и экологически устойчивыми, и при этом обладали бы расширенными функциональными возможностями. Мы можем достичь всех этих целей, внедрив парадигму метаматериалов в разработку строительных материалов», — заявил Амир Алави, доцент кафедры гражданского и экологического строительства Питтсбургского университета, в официальном заявлении.
Вот как производится электроэнергия
Это не первый случай работы этой группы исследователей с метаматериалами; ранее они использовали их в зубных имплантатах. Однако на этот раз они применили этот элемент для создания высокоадаптивного бетона, поскольку такие свойства, как хрупкость, гибкость и форма, могут быть отрегулированы, что позволяет строителям использовать меньше материала без ущерба для прочности или долговечности.
Этот метаматериал состоит из сети армированных ауксетических полимеров внутри проводящей цементной матрицы, которую исследователи усилили графитовым порошком и которая образует электрод; при этом механический триггер или наногенератор могут генерировать электрический заряд за счет контакта между слоями. Другими словами, он может генерировать собственный электрический заряд.
Пока что система не может производить достаточно электроэнергии для передачи в электросеть, но ученые вырабатывают достаточно энергии для работы датчиков, встроенных в дороги, в том числе будущих, предназначенных для помощи беспилотным автомобилям, когда сигналы GPS слишком слабые или когда технология LIDAR не работает.
Помимо выработки электроэнергии, его можно использовать для мониторинга повреждений в конструкции строящегося здания или для наблюдения за воздействием таких явлений, как землетрясения, на здания. Кроме того, сам метаматериал может быть физически адаптирован к любой конструкции, изменяя свою гибкость, форму и хрупкость.
Согласно проведенным исследователями испытаниям, его можно сжать до 15% при сохранении структурной целостности и получить мощность 330 мкВт.
«В этом проекте впервые представлен композитный метаматериальный бетон со сверхвысокой сжимаемостью и возможностью сбора энергии. Эти легкие, механически регулируемые бетонные системы могут открыть двери для использования бетона в различных областях, например, в качестве ударопоглощающих инженерных материалов в аэропортах для замедления вышедших из-под контроля самолетов или в системах сейсмической изоляции оснований», — отмечает Алави.
Масштабируемое использование
В проекте, который предусматривает применение материала в различных областях, участвуют ученые из Университета Джонса Хопкинса, Университета штата Нью-Мексико, Технологического института Джорджии, Пекинского института наноэнергетики и наносистем (в Китае) и Инженерной школы Свонсона Питтсбургского университета, а также ведется работа по расширению свойств и возможностей материала.
Они даже отмечают, что созданный ими многофункциональный бетон может стать широко используемым компонентом в инфраструктуре, поскольку он «масштабируем, экономически эффективен и может поддерживать свою работу за счет сбора экологически чистой энергии». По крайней мере, так они заявляют в своем исследовании под названием «Интегрированные метаматериальные бетонные системы с многофункциональными наногенераторами для интеллектуальной гражданской инфраструктуры», опубликованном в журнале Advanced Materials.
Несмотря на потенциал этого бетона для создания интеллектуальной автономной инфраструктуры, исследователи в своем исследовании указывают на необходимость крупномасштабных испытаний для улучшения продукта. Они также отмечают необходимость дальнейших исследований по изоляции материала, интегрированного в наногенератор для сбора энергии, от воздействия факторов окружающей среды, таких как влажность, влажная погода и колебания температуры.
Однако исследовательская группа уже заключила партнерское соглашение с Департаментом транспорта Пенсильвании (PennDOT) для разработки этого бетонного метаматериала с целью его использования на дорогах Пенсильвании в будущем.
Источник: https://www.elespanol.com/
