匹茲堡大學的工程師們正在通過重新想象混凝土的設計將其帶入21世紀?；炷恋臍v史可以追溯到羅馬帝國，它仍然是建筑業(yè)中最廣泛使用的材料。一項新的研究提出了一個概念，即通過引入超材料混凝土來發(fā)展智能民用基礎設施系統(tǒng)。該研究提出了一個輕質和機械可調(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
皮特大學土木與環(huán)境工程系助理教授Amir Alavi說："現(xiàn)代社會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，在我們的基礎設施項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)濟和環(huán)境可持續(xù)，同時提供先進的功能。我們相信，通過在建筑材料的開發(fā)中引入超材料范式，我們可以實現(xiàn)所有這些目標。"
Alavi和他的團隊之前已經(jīng)開發(fā)了自我意識的超材料，并探索了它們在智能植入物等應用中的用途。這項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計用于其目的。脆性、靈活性和可塑性等屬性可以在材料的創(chuàng)造過程中進行微調(diào)，使建設者能夠在不犧牲強度或壽命的情況下減少材料的使用。
這個項目提出了第一個具有超壓縮性和能量收集能力的復合超材料混凝土。這種輕質和機械可調(diào)的混凝土系統(tǒng)可以為混凝土在各種應用中的使用打開一扇大門，如機場的減震工程材料，以幫助減緩失控的飛機或地震基礎隔離系統(tǒng)。
不僅如此，這種材料還能夠發(fā)電。雖然它不能產(chǎn)生足夠的電力來向電網(wǎng)送電，但產(chǎn)生的信號將足以為路邊的傳感器供電。超材料混凝土在機械激勵下自我產(chǎn)生的電信號也可用于監(jiān)測混凝土結構內(nèi)部的損壞，或監(jiān)測地震，同時減少其對建筑物的影響。
最終，這些智能結構甚至可以為嵌入道路內(nèi)部的芯片供電，在GPS信號太弱或激光雷達不起作用時，幫助自駕車在高速公路上導航。
該材料由嵌入導電水泥基體中的增強型輔助聚合物格子組成。當機械觸發(fā)時，這種復合結構會在各層之間誘發(fā)接觸電化。用石墨粉增強的導電水泥在該系統(tǒng)中充當電極。實驗研究表明，該材料在循環(huán)負載下可以壓縮到15%，并產(chǎn)生330微瓦的功率。
