匹茲堡大學(xué)的工程師們正在通過(guò)重新想象混凝土的設(shè)計(jì)將其帶入21世紀(jì)?；炷恋臍v史可以追溯到羅馬帝國(guó)，它仍然是建筑業(yè)中最廣泛使用的材料。一項(xiàng)新的研究提出了一個(gè)概念，即通過(guò)引入超材料混凝土來(lái)發(fā)展智能民用基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。該研究提出了一個(gè)輕質(zhì)和機(jī)械可調(diào)的混凝土系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)具有集成的能量收集和傳感能力。
描繪在高速公路上使用的新型超材料混凝土的概念作品
皮特大學(xué)土木與環(huán)境工程系助理教授Amir Alavi說(shuō)："現(xiàn)代社會(huì)在建筑中使用混凝土已經(jīng)有幾百年了，這是由古羅馬人最初創(chuàng)造的，在我們的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目中大量使用混凝土意味著需要開發(fā)新一代的混凝土材料，使其更加經(jīng)濟(jì)和環(huán)境可持續(xù)，同時(shí)提供先進(jìn)的功能。我們相信，通過(guò)在建筑材料的開發(fā)中引入超材料范式，我們可以實(shí)現(xiàn)所有這些目標(biāo)。"
Alavi和他的團(tuán)隊(duì)之前已經(jīng)開發(fā)了自我意識(shí)的超材料，并探索了它們?cè)谥悄苤踩胛锏葢?yīng)用中的用途。這項(xiàng)研究引入了超材料在混凝土創(chuàng)造中的使用，使材料有可能被專門設(shè)計(jì)用于其目的。脆性、靈活性和可塑性等屬性可以在材料的創(chuàng)造過(guò)程中進(jìn)行微調(diào)，使建設(shè)者能夠在不犧牲強(qiáng)度或壽命的情況下減少材料的使用。
這個(gè)項(xiàng)目提出了第一個(gè)具有超壓縮性和能量收集能力的復(fù)合超材料混凝土。這種輕質(zhì)和機(jī)械可調(diào)的混凝土系統(tǒng)可以為混凝土在各種應(yīng)用中的使用打開一扇大門，如機(jī)場(chǎng)的減震工程材料，以幫助減緩失控的飛機(jī)或地震基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)。
不僅如此，這種材料還能夠發(fā)電。雖然它不能產(chǎn)生足夠的電力來(lái)向電網(wǎng)送電，但產(chǎn)生的信號(hào)將足以為路邊的傳感器供電。超材料混凝土在機(jī)械激勵(lì)下自我產(chǎn)生的電信號(hào)也可用于監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損壞，或監(jiān)測(cè)地震，同時(shí)減少其對(duì)建筑物的影響。
最終，這些智能結(jié)構(gòu)甚至可以為嵌入道路內(nèi)部的芯片供電，在GPS信號(hào)太弱或激光雷達(dá)不起作用時(shí)，幫助自駕車在高速公路上導(dǎo)航。
該材料由嵌入導(dǎo)電水泥基體中的增強(qiáng)型輔助聚合物格子組成。當(dāng)機(jī)械觸發(fā)時(shí)，這種復(fù)合結(jié)構(gòu)會(huì)在各層之間誘發(fā)接觸電化。用石墨粉增強(qiáng)的導(dǎo)電水泥在該系統(tǒng)中充當(dāng)電極。實(shí)驗(yàn)研究表明，該材料在循環(huán)負(fù)載下可以壓縮到15%，并產(chǎn)生330微瓦的功率。
