混凝土是建筑行业中最常用的材料，其历史可以追溯到罗马帝国。匹兹堡大学的工程师们现在正在重新构想21世纪的设计。
新研究引入了用于开发智能民用基础设施系统的超材料混凝土。这篇题为“用于智能民用基础设施的多功能纳米发电机集成超材料混凝土系统”的论文提出了一种具有集成能量收集和传感功能的轻质和机械可调混凝土系统的新概念。
“现代社会在古罗马人最初创造混凝土之后，已经在建筑中使用混凝土数百年了，”皮特土木与环境工程助理教授Amir Alavi说，他是该研究的通讯作者。“在我们的基础设施项目中大量使用混凝土意味着需要开发新一代混凝土材料，这些材料更经济、更环保，同时具有先进的功能。我们相信，通过将超材料范式引入建筑材料的开发，我们可以实现所有这些目标。
Alavi和他的团队之前已经开发了自我意识超材料，并探索了它们在智能植入物等应用中的应用。
本研究介绍了超材料在混凝土制造中的应用，使材料可以专门设计用于其目的。脆性、柔韧性和可塑性等属性可以在材料的创建中微调，使建筑商能够在不牺牲强度或寿命的情况下使用更少的材料。
“该项目展示了第一个具有超压缩性和能量收集能力的复合超材料混凝土，”Alavi说。“这种轻质和机械可调的混凝土系统可以为混凝土在各种应用中的使用打开一扇门，例如机场的减震工程材料，以帮助减缓失控的飞机或基础隔离系统。
不仅如此，该材料还能够发电。虽然它不能产生足够的电力来向电网输送电力，但产生的信号将足以为路边传感器供电。超材料混凝土在机械激励下自行产生的电信号也可用于监测混凝土结构内部的损坏或监测，同时减少其对建筑物的影响。
最终，这些智能结构甚至可以为嵌入道路内的芯片供电，以帮助自动驾驶汽车在GPS信号太弱或激光雷达无法正常工作时在高速公路上导航。
该材料由嵌入导电水泥基体中的增强辅助聚合物晶格组成。复合材料结构在机械触发时诱导层之间的接触带电。用石墨粉增强的导电水泥用作系统中的电极。实验研究表明，该材料在循环负载下可以压缩高达15%，并产生330μW的功率。
研究小组正在通过皮特的IRISE联盟与宾夕法尼亚州交通部(PennDOT)合作，开发这种用于宾夕法尼亚州道路的超材料混凝土。
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