Materiali: creato un cemento metamateriale autosensibile che produce energia

Per strano che possa sembrare, ci sono alcuni settori dove il tempo sembra essersi fermato, come l'edilizia: il calcestruzzo, uno dei materiali più usati, risale agli antichi Romani, e fondamentalmente, seppur siano passati centinaia di anni, è rimasto lo stesso.

Almeno finora.

Una nuova ricerca dell'Università di Pittsburg, Multifunctional Nanogenerator-Integrated Metamaterial Concrete Systems for Smart Civil Infrastructure [pubblicata sulla rivista Advanced Materials], ha presentato un prototipo di sistemi in calcestruzzo leggeri e regolabili meccanicamente, che integrano anche la raccolta di energia e la funzionalità di rilevamento.

"La società moderna utilizza il cemento nelle costruzioni da centinaia di anni, seguendo la sua creazione originale da parte degli antichi romani", ha affermato Amir Alavi, assistente professore di Ingegneria Civile e Ambientale presso Pittsburgh ed autore corrispondente dello studio.

"L'uso massiccio del calcestruzzo nei nostri progetti infrastrutturali implica la necessità di sviluppare una nuova generazione di materiali cementizi che siano più economici e sostenibili dal punto di vista ambientale, ma che offrano funzionalità avanzate. Crediamo di poter raggiungere tutti questi obiettivi introducendo un paradigma metamateriale nello sviluppo dei materiali da costruzione".

Alavi e il suo team hanno precedentemente sviluppato metamateriali autocoscienti e ne hanno esplorato l'uso in applicazioni come gli impianti intelligenti.

Questo studio introduce l'uso dei metamateriali nella creazione del calcestruzzo, rendendo possibile che il materiale sia specificamente progettato per il suo scopo.

Attributi come flessibilità e modellabilità possono essere perfezionati nella creazione del materiale, consentendo ai costruttori di utilizzarne meno, senza sacrificare forza o longevità.

"Questo progetto presenta il primo calcestruzzo metamateriale composito con super compressibilità e capacità di raccolta di energia", ha affermato Alavi. "Tali sistemi di calcestruzzo leggeri e regolabili meccanicamente possono aprire una porta all'uso del calcestruzzo in varie applicazioni come i materiali ingegnerizzati che assorbono gli urti negli aeroporti per aiutare a rallentare gli aerei in fuga o i sistemi di isolamento della base sismica".

Oltre a poter essere "prodotto su misura" per l'applicazione d'uso finale, il materiale è in grado di generare elettricità.

Sebbene non possa produrne in quantità tale da poterla cedere rete elettrica, il segnale generato sarà più che sufficiente per alimentare i sensori lungo la strada.

Questi segnali elettrici autogenerati dal calcestruzzo metamateriale sotto eccitazioni meccaniche possono essere utilizzati anche per verificare la presenza di danni all'interno della struttura in calcestruzzo o per monitorare i terremoti riducendone l'impatto sugli edifici.

Andando avanti con la ricerca, queste strutture intelligenti potrebbero persino alimentare chip incorporati all'interno delle strade per aiutare le auto a guida autonoma quando i segnali GPS fossero troppo deboli o LIDAR non funzionasse.

Il materiale progetto dai ricercatori è composto da reticoli polimerici auxetici rinforzati incorporati in una matrice cementizia conduttiva.

I materiali auxetici [di cui fa parte il Gore-Tex] sono materiali aventi coefficiente di Poisson negativo e le cui fibre, se sottoposte ad uno sforzo di trazione si aprono "ad ombrello", determinando una dilatazione in direzione trasversale a quella di sollecitazione. Viceversa, se sottoposte a compressione "si chiudono", determinando una strizione del campione.

La struttura composita del calcestruzzo universitario induce l'elettrificazione del contatto tra gli strati quando viene attivata meccanicamente; il materiale conduttivo, arricchito con polvere di grafite, funge da elettrodo nel sistema.

Gli studi sperimentali del team hanno dimostrato che il materiale può comprimersi fino al 15% sotto carico ciclico e produrre 330 μW di potenza: la squadra sta collaborando con il Dipartimento dei trasporti della Pennsylvania (PennDOT) attraverso il Consorzio IRISE di Pittsburgh per sviluppare questo calcestruzzo metamateriale, al fine di utilizzarlo sulle strade della Pennsylvania.