El hormigón es el material que más se utiliza en la industria de la construcción en España. Generalmente está hecho a base de cemento, arena y grava o piedra, pero gracias al avance de la tecnología se ha conseguido utilizar otros elementos para fabricarlos, como la cáscara de huevo o neumáticos usados. Ahora, unos ingenieros están reinventando su diseño, utilizando para ello un metamaterial multifuncional y liviano capaz de generar electricidad por sí mismo.

Científicos de la Universidad de Pittsburgh (Pitt), en Pensilvania (Estados Unidos), pretenden llevar al hormigón a un nuevo nivel con un metamaterial —un conjunto heterogéneo de materiales artificiales que poseen características electromagnéticas especiales— para el desarrollo de infraestructuras inteligentes. En su investigación, presentan un nuevo concepto para sistemas de hormigón ligeros y mecánicamente ajustables que tienen la funcionalidad interna de poder detectar, generar y recolectar energía.

"El uso masivo de hormigón en nuestros proyectos de infraestructuras implica la necesidad de desarrollar una nueva generación de materiales de hormigón que sean más económicos y sostenibles desde el punto de vista medioambiental, pero que ofrezcan funcionalidades avanzadas. Podemos alcanzar todos estos objetivos introduciendo un paradigma metamaterial en el desarrollo de materiales de construcción", indica Amir Alavi, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en Pitt en un comunicado oficial.

Así produce electricidad

No es la primera vez que este grupo de investigadores trabaja con metamateriales, ya que en un proyecto anterior los utilizaron en implantes dentales. Sin embargo, en esta ocasión han usado este elemento para crear un hormigón altamente adaptable, ya que atributos como la fragilidad, la flexibilidad y la forma se pueden ajustar, permitiendo a los constructores usar menos material sin tener que sacrificar la resistencia o la longevidad.

Dicho metamaterial está formado por unas redes de polímeros auxéticos reforzados dentro de una matriz de cemento conductor, que los investigadores han mejorado con polvo de grafito y que forma el electrodo; mientras que un disparador mecánico o nanogenerador puede generar electrificación por contacto entre las capas. Es decir, puede generar su propia carga eléctrica.

Arte conceptual del nuevo hormigón metamaterial en una carretera. Universidad de Pittsburgh Omicrono

Todavía no puede producir suficiente electricidad para enviar energía a la red eléctrica, pero los cientíticos sí genera una potencia que permitiría alimentar sensores integrados en las carreteras, incluso aquellos futuros destinados a ayudar en la conducción a los vehículos autónomos cuando las señales de GPS son demasiado débiles o cuando la tecnología LIDAR no funciona.

Además de la producción eléctrica, tiene el potencial para usarse para monitorizar daños dentro de la propia estructura de lo que se esté construyendo o ver el impacto de fenómenos como terremotos en los edificios. Además, físicamente el metamaterial en sí se puede ajustar para adaptarse a cualquier construcción, cambiando su flexibilidad, forma y fragilidad. Según las pruebas realizadas por los investigadores, podría comprimirse hasta un 15% manteniendo su integridad estructural y producir 330 μW de potencia.

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"Este proyecto presenta el primer hormigón de metamaterial compuesto con supercompresibilidad y capacidad de recolección de energía. Estos sistemas de concreto livianos y mecánicamente ajustables pueden abrir una puerta al uso de hormigón en diversas aplicaciones, como materiales de ingeniería de absorción de impactos en aeropuertos para ayudar a reducir la velocidad de aviones fuera de control o sistemas de aislamiento de base sísmica", señala Alavi.

Un uso escalable

En el proyecto que aplica el material a diversos usos están trabajando científicos de la Universidad Johns Hopkins, la Universidad Estatal de Nuevo México, el Instituto de Tecnología de Georgia, el Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Beijing (en China) y la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt, así como en lograr más propiedades y posibilidades del material.

Señalan incluso que este hormigón multifuncional que han creado puede convertirse en un componente ampliamente utilizado en infraestructura, ya que es "escalable, rentable y puede autosostener sus operaciones a través de la energía de recolección verde". Al menos eso es lo que señalan en su investigación, titulara "Sistemas de hormigón de metamateriales integrados con nanogeneradores multifuncionales para infraestructura civil inteligente" y que ha sido publicada en la revista Advanced Materials.

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A pesar del potencial que ofrece este hormigón para crear infraesctucturas inteligentes y autoalimentadas, los investigadores señalan en su estudio la necesidad de realizar pruebas a gran escala para mejorar el producto. Incluso indican que también se debe seguir investigando sobre cómo aislar el material integrado en el nanogenerador de recolección de energía de los factores estresantes ambientales, como pueden ser la humedad, el clima húmedo y los cambios de temperatura.

Eso sí, el equipo de investigación ya se ha asociado con el Departamento de Transporte de Pensilvania (PennDOT) para desarrollar este metamaterial de hormigón con el objetivo de utilizarlo en un futuro en las carreteras de Pensilvania.

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