メタマテリアル コンクリート: 最も広く使用されている建設資材の再発明

ピッツバーグ大学 2023 年 5 月 6 日

高速道路で使用されている新しいメタマテリアル コンクリートを描いたコンセプト アートワーク。 クレジット: Amir Alavi (Midjourney より)

ピッツバーグ大学のエンジニアは、コンクリートの設計を再考することでコンクリートを 21 世紀に導入しています。 コンクリートはそのルーツがローマ帝国にまで遡り、今でも建設業界で最も広く利用されている材料です。

新しい研究では、メタマテリアル コンクリートの導入によるスマートな土木インフラ システムの開発の概念が提示されています。 この研究は、統合されたエネルギーハーベスティング機能とセンシング機能を備えた、軽量で機械的に調整可能なコンクリートシステムのコンセプトを提示します。

この研究の責任著者であるピット大学の土木・環境工学助教授アミール・アラヴィ氏は、「現代社会は、古代ローマ人によって最初に創造されて以来、何百年もの間、建設にコンクリートを使用してきました」と述べた。 「私たちのインフラプロジェクトでコンクリートを大量に使用するということは、より経済的で環境的に持続可能でありながら、高度な機能を提供する新世代のコンクリート材料を開発する必要性を意味します。私たちは、メタマテリアルのパラダイムを社会に導入することで、これらの目標すべてを達成できると信じています。」建築資材の開発。」

Alavi and his team have previously developed self-aware metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">メタマテリアルを研究し、スマート インプラントなどのアプリケーションでの使用を検討しました。 この研究では、コンクリートの作成におけるメタマテリアルの使用を導入し、材料をその目的に合わせて特別に設計できるようにしました。 脆さ、柔軟性、成形性などの特性を材料の作成時に微調整できるため、建築業者は強度や寿命を犠牲にすることなく材料の使用量を減らすことができます。

「このプロジェクトは、超圧縮性とエネルギーハーベスティング機能を備えた初の複合メタマテリアル コンクリートを提示します」とアラヴィ氏は述べています。 「このような軽量で機械的に調整可能なコンクリートシステムは、飛行機の低速暴走を助けるための空港の衝撃吸収加工材料や免震システムなど、さまざまな用途でコンクリートを使用する道を開く可能性があります。」

それだけでなく、この材料は電気を発生させることができます。 送電網に電力を送るのに十分な電力を生成することはできませんが、生成された信号は路側センサーに電力を供給するのに十分以上です。 機械的励起下でメタマテリアル コンクリートによって自己生成される電気信号は、コンクリート構造物の内部の損傷を監視したり、建物への影響を軽減しながら地震を監視したりするためにも使用できます。

Eventually, these smart structures may even power chips embedded inside roads to help self-driving cars navigate on highways when GPSGPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on or near the Earth's surface. It consists of a network of satellites, ground control stations, and GPS receivers, which are found in a variety of devices such as smartphones, cars, and aircraft. GPS is used for a wide range of applications including navigation, mapping, tracking, and timing, and has an accuracy of about 3 meters (10 feet) in most conditions." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">GPS 信号が弱すぎるか、LIDAR が機能していません。

この材料は、導電性セメントマトリックスに埋め込まれた強化オーセティックポリマー格子で構成されています。 複合構造は、機械的にトリガーされると層間の接触帯電を引き起こします。 グラファイト粉末で強化された導電性セメントは、システム内の電極として機能します。 実験研究によると、この材料は周期的な負荷の下で最大 15% 圧縮でき、330 μW の電力を生成することができます。

参考文献: 「スマート土木インフラのための多機能ナノ発電機統合メタマテリアル コンクリート システム」Kaveh Barri、Qianyun Zhang、Jake Kline、Wenyun Lu、Jianzhe Luo、Zhe Sun、Brandon E. Taylor、Steven G. Sachs、Lev Khazanovich、Zhong Lin Wang 著および Amir H. Alavi、2023 年 2 月 4 日、Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma.202211027

研究チームは、ピットの IRISE コンソーシアムを通じてペンシルバニア州運輸局 (PennDOT) と提携して、ペンシルバニア州の道路で使用するためのこのメタマテリアル コンクリートを開発しています。

このプロジェクトには、ジョンズ・ホプキンス大学、ニューメキシコ州立大学、ジョージア工科大学、北京ナノエネルギー・ナノシステム研究所、ピットのスワンソン工学院の研究者が参加した。