Nuevos metamateriales: un hormigón táctil que produce energía

Uno de los materiales de construcción más antiguos del mundo –ya se utilizaba en tiempos de los romanos– es, a la vez, objeto de innumerables investigaciones en la actualidad. Hablamos del hormigón, un elemento básico en cualquier proyecto constructivo de la actualidad. Los avances técnicos están impulsando el desarrollo de hormigón más sostenible, autorreparable o capaz de capturar dióxido de carbono, entre otras cosas.

Normalmente, estas cualidades se logran por medio de nuevos ingredientes, que abarcan desde la adición de residuos orgánicos como las remolachas hasta el uso de bacterias generadoras de calcita. En la Universidad de Pittsburgh en EE. UU. han recurrido a otro enfoque –los metamateriales– para desarrollar un hormigón con sentido del tacto y capaz de almacenar energía.   

¿Qué es un metamaterial?

Antes de nada, conviene aclarar en qué consiste un metamaterial. Fundamentalmente, se trata de un material artificial dotado de cualidades electromagnéticas que no se encuentran en la naturaleza gracias a la creación de nanoestructuras con una geometría específica.  

El desarrollo teórico de los metamateriales data de los años setenta del siglo pasado, cuando el físico soviético V. G. Veselago publicó un artículo describiendo sus propiedades potenciales. De hecho, es un campo tan novedoso que el término “metamaterial” propiamente dicho no se acuñó hasta 1999. Las metasuperficies aplican los principios de los metamateriales, pero en dos dimensiones, lo que implica un grosor de unos pocos nanómetros.

El ejemplo más habitual es un material con un índice de refracción negativo, esto es, capaz de desviar la luz en el sentido contrario al habitual. En la naturaleza todos los elementos tienen un índice de refracción positivo. Por ejemplo, en el agua es de 1,33, mientras que en el vidrio es de 1,45. Técnicamente, la capacidad de controlar la refracción de la luz podría conducir a la creación de las llamadas capas de invisibilidad, es decir, un material digno de la ciencia ficción que haga invisibles a las personas y objetos recubiertos por ellas. O cámaras del tamaño de un grano de sal, como te contábamos en este artículo.

Un nuevo metamaterial que ejerce de sensor y genera energía

El nuevo tipo de hormigón planteado por los investigadores de la Universidad de Pittsburgh en un artículo publicado en la revista científica Advanced Materials es capaz de registrar variables como la presión y, a la vez, almacenar energía. Estas propiedades se estudiaron en investigaciones anteriores sobre materiales “autoconscientes”. Es decir, cuyas estructuras transmiten información sobre las cargas y el estrés a las que están sometidas, sin necesidad de sensores adicionales.

Tal como se ha explicado, se pueden modificar las propiedades de un metamaterial cambiando la geometría de sus nanoestructuras. En el caso del hormigón, pequeños ajustes pueden lograr en su resistencia, durabilidad o flexibilidad. En la Universidad de Pittsburgh han recurrido a mallas de polímeros auxéticos refozados que se integran en una matriz de cemento conductiva con polvo de grafito.

El cemento ejerce de electrodo y cuando se somete a presión genera una pequeña carga eléctrica. Esta carga eléctrica puede utilizarse para detectar fracturas en el hormigón en caso de terremotos o impactos, o bien alimentar luces LED o dispositivos de bajo consumo.

En los experimentos, además de estas cualidades, los científicos comprobaron que el material podía comprimirse hasta un 15 % sin perder su integridad estructural. Esto implica la posibilidad de obtener resultados similares al hormigón actual con una cantidad menor de material, lo que redunda en menores emisiones de CO₂ en su producción. Por último, la producción del nuevo hormigón es escalable y tiene unos costes competitivos, lo que allana el camino para su fabricación a escala industrial.

Carreteras inteligentes construidas con metamateriales

Según los investigadores, esas propiedades insólitas podrían aprovecharse también en la construcción de carreteras inteligentes. La idea es que los gestores de la red vial puedan comprobar en tiempo real el estado del firme y repararlo con rapidez. Por otro lado, si bien la cantidad de energía es bastante reducida, es suficiente para alimentar componentes de señalización como luces integradas o chips que se comuniquen con coches autónomos. De este modo, aun en situaciones de escasa señal GPS, la carretera podría emitir señales a los vehículos para guiarlos.

Las carreteras del futuro integrarán múltiples funcionalidades más allá de acomodar el tráfico rodado. Por ejemplo, hemos hablado de carreteras solares, esto es, dotadas de células fotovoltaicas. También hemos visto avances en el desarrollo de carreteras electrificadas que permitan cargar las baterías de los coches eléctricos con tecnologías inductivas. Además, es posible que lleguen a ser autorreparables. Y todo ello con una mayor sostenibilidad, ya que también integrarán materiales reciclados como los neumáticos.      

Fuentes:

• TechXplore
• Nanowerk