Новое исследование представляет метаматериальный бетон для разработки интеллектуальных систем гражданской инфраструктуры. В документе "Многофункциональные наногенераторно-интегрированные бетонные системы из метаматериалов для интеллектуальной гражданской инфраструктуры" представлена новая концепция легких и механически настраиваемых бетонных систем, которые обладают интегрированными функциями сбора энергии и зондирования.

"Современное общество использует бетон в строительстве на протяжении сотен лет, после его первоначального создания древними римлянами", - сказал Амир Алави, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии в Pitt, который является соответствующим автором исследования. "Массовое использование бетона в наших инфраструктурных проектах подразумевает необходимость разработки нового поколения бетонных материалов, которые являются более экономичными и экологически устойчивыми, но при этом обладают расширенными функциональными возможностями. Мы верим, что сможем достичь всех этих целей, внедрив метаматериальную парадигму в разработку строительных материалов".

Алави и его команда ранее разработали самосознающие метаматериалы и исследовали их использование в таких приложениях, как интеллектуальные имплантаты. Это исследование знакомит с использованием метаматериалов при создании бетона, что позволяет разработать материал специально для его назначения. Такие свойства, как хрупкость, гибкость и возможность придания формы, могут быть точно настроены при создании материала, что позволяет строителям использовать меньше материала без ущерба для прочности или долговечности.

"Этот проект представляет собой первый композитный бетон из метаматериала, обладающий сверхсжимаемостью и способностью улавливать энергию", - сказал Алави. "Такие легкие и механически настраиваемые бетонные системы могут открыть двери для использования бетона в различных областях применения, таких как амортизирующие инженерные материалы в аэропортах, помогающие замедлять разбегающиеся самолеты, или системы сейсмоизоляции основания".

И не только это, но и то, что материал способен вырабатывать электричество. Хотя он не может вырабатывать достаточно электроэнергии для подачи питания в электрическую сеть, генерируемого сигнала будет более чем достаточно для питания придорожных датчиков. Электрические сигналы, самостоятельно генерируемые бетоном из метаматериала при механическом воздействии, также могут быть использованы для мониторинга повреждений внутри бетонной конструкции или для мониторинга землетрясений при одновременном снижении их воздействия на здания.

В конечном счете, эти интеллектуальные структуры могут даже питать чипы, встроенные в дороги, чтобы помочь самоуправляемым автомобилям ориентироваться на шоссе, когда сигналы GPS слишком слабы или ЛИДАР не работает.

Материал состоит из армированных ауксетических полимерных решеток, встроенных в проводящую цементную матрицу. Композитная структура вызывает контактную электризацию между слоями при механическом срабатывании. Электропроводящий цемент, усиленный графитовым порошком, служит электродом в системе. Экспериментальные исследования показывают, что материал может сжиматься до 15% при циклической нагрузке и вырабатывать мощность 330 мкВт.

Исследовательская группа сотрудничает с Департаментом транспорта Пенсильвании (PennDOT) через консорциум IRISE в Питте для разработки этого метаматериального бетона для использования на дорогах Пенсильвании.