Các nhà khoa học Mỹ đã thực hiện một nghiên cứu mới, mô phỏng ý tưởng phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng dân dụng thông minh cùng với sự ra đời của bê tông siêu vật liệu. Nghiên cứu trình bày một khái niệm về hệ thống bê tông nhẹ và có thể điều chỉnh cơ học với khả năng cảm biến và thu thập năng lượng tích hợp.

 Bê tông siêu vật liệu mới được sử dụng trên đường cao tốc. Ảnh Amir Alavi

Amir Alavi, PGS kỹ thuật dân dụng và môi trường tại Pitt, tác giả của nghiên cứu cho biết: “Xã hội hiện đại đang sử dụng bê tông trong xây dựng hàng trăm năm, được người La Mã cổ đại sáng tạo ra. Việc sử dụng rộng rãi bê tông trong các dự án cơ sở hạ tầng thúc đẩy nhu cầu phát triển một thế hệ vật liệu bê tông mới, tiết kiệm nguyên vật liệu và bền vững với môi trường hơn, đồng thời cung cấp những chức năng tiên tiến. Chúng tôi tin rằng, có thể đạt được tất cả những mục tiêu này bằng phương pháp đưa mô hình siêu vật liệu vào quá trình phát triển vật liệu xây dựng.”

Nhóm nghiên cứu của PGS Alavi trước đây đã phát triển siêu vật liệu tự nhận thức và khám phá việc sử dụng vật liệu sáng tạo này trong những ứng dụng như cấy ghép thông minh. Nghiên cứu này giới thiệu khả năng sử dụng siêu vật liệu trong quy trình sản xuất bê tông, trong đó vật liệu có thể được thiết kế đặc biệt cho mục đích sử dụng.

Những thuộc tính kỹ thuật như độ giòn gẫy, tính linh hoạt, khả năng tạo hình có thể được tinh chỉnh trong quá trình chế tạo vật liệu, cho phép các nhà sản xuất sử dụng ít vật liệu hơn mà không làm giảm độ bền hoặc tuổi thọ của công trình.

Bê tông siêu vật liệu có thể tạo ra điện năng, hãm chậm máy bay hoặc hoạt động trong các bộ cách ly cơ sở địa chấn. Ảnh: Amir Alavi

PGS Alavi cho biết: “Dự án này giới thiệu ý tưởng về một loại bê tông siêu vật liệu tổng hợp đầu tiên, có khả năng siêu nén và hấp thu năng lượng. Những hệ thống bê tông nhẹ và có thể điều chỉnh cơ học như vậy sẽ mở ra cơ hội sử dụng bê tông trong vô số những ứng dụng khác nhau như vật liệu kỹ thuật hấp thụ xung sốc tại các sân bay, khiến máy bay chạy chậm lại khi hạ cánh hoặc hệ thống cách ly cơ sở để bảo vệ công trình chống lại địa chấn.”

Không chỉ vậy, siêu vật liệu còn có khả năng sản xuất điện. Mặc dù vật liệu thông minh này không thể sản xuất đủ điện để cung cấp năng lượng cho lưới điện, nhưng những xung điện tạo ra sẽ đủ để cung cấp năng lượng cho những cảm biến bên đường. Những tín hiệu xung điện do bê tông siêu vật liệu tự tạo ra dưới các kích thích cơ học cũng có thể được sử dụng để theo dõi tổn thất bên trong kết cấu bê tông, theo dõi địa chấn và cảnh báo địa chấn đồng thời giảm tác động của sóng địa chấn lên các tòa nhà.

Hơn thế nữa, những cấu trúc bê tông thông minh tùy chỉnh có thể cung cấp năng lượng cho những con chip, được nhúng bên trong đường giúp ô tô tự lái điều hướng trên đường cao tốc, bổ sung cho hệ thống điều khiển và dự phòng tình huống tín hiệu GPS yếu hoặc thiết bị Lidar không hoạt động.

Siêu vật liệu cho bê tông thế hệ mới là các mạng polymer auxetic gia cố chắc chắn, nhúng trong một ma trận xi măng dẫn điện. Cấu trúc hỗn hợp tạo ra điện khí hóa tiếp xúc giữa các lớp khi bị kích hoạt cơ học.

Xi măng dẫn điện là xi măng thông thường được tăng cường bằng bột than chì, đóng vai trò điện cực trong hệ thống bê tông thông minh. Những nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, vật liệu này có thể nén xuống tới 15% khi chịu tải theo chu kỳ lặp đi lặp lại, tương tự như ô tô chạy trên đường, tạo ra điện năng có công suất 330 μW.

Nhóm nghiên cứu đang hợp tác với Bộ Giao thông vận tải Pennsylvania (PennDOT) thông qua Hiệp hội khoa học và kỹ thuật cơ sở hạ tầng IRISE Consortium tại Pitt để phát triển loại bê tông siêu vật liệu nhằm sử dụng trên các con đường ở Pennsylvania.

Dự án có sự tham gia của các nhà nghiên cứu từ Đại học Johns Hopkins, Đại học bang New Mexico, Viện Công nghệ Georgia, Viện Năng lượng nano và Hệ thống nano Bắc Kinh, Trường Kỹ thuật Swanson của Pitt.