Desde su invención hace varios milenios, concreto se ha convertido en un instrumento para el avance de la civilización, encontrando uso en innumerables aplicaciones de construcción, desde puentes hasta edificios. Y todavía, a pesar de siglos de innovación, su función se ha mantenido principalmente estructural.

Un esfuerzo de varios años de los investigadores del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), en colaboración con el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), ha tenido como objetivo cambiar eso. Su colaboración promete hacer que el hormigón sea más sostenible al agregar funcionalidades novedosas, a saber, conductividad electrónica. La conductividad electrónica permitiría el uso de hormigón para una variedad de nuevas aplicaciones, que van desde el autocalentamiento hasta el almacenamiento de energía.

Su enfoque se basa en la introducción controlada de materiales nanocarbonados de alta conductividad en la mezcla de cemento. En un artículo de Physical Review Materials, validan este enfoque al presentar los parámetros que dictan la conductividad del material.

Nancy Soliman, el autor principal del artículo y un postdoctorado en el MIT CSHub, cree que esta investigación tiene el potencial de agregar una dimensión completamente nueva a lo que ya es un material de construcción popular.

"Este es un modelo de primer orden del cemento conductor, ", explica." Y aportará [el conocimiento] necesario para fomentar la ampliación de este tipo de materiales [multifuncionales] ".

De la nanoescala al estado de la técnica

Durante las últimas décadas, Los materiales de nanocarbono han proliferado debido a su combinación única de propiedades, el principal de ellos es la conductividad. Los científicos e ingenieros han propuesto previamente el desarrollo de materiales que pueden impartir conductividad al cemento y al hormigón si se incorporan en su interior.

Para este nuevo trabajo, Soliman quería asegurarse de que el material de nanocarbono que seleccionaron fuera lo suficientemente asequible para producirse a escala. Ella y sus colegas se decidieron por el negro de nanocarbono, un material de carbono barato con excelente conductividad. Descubrieron que sus predicciones de conductividad se confirmaron.

"El hormigón es naturalmente un material aislante, "dice Soliman, "Pero cuando agregamos partículas negras de nanocarbono, pasa de ser un aislante a un material conductor ".

Al incorporar negro de nanocarbono en solo un 4 por ciento del volumen de sus mezclas, Soliman y sus colegas descubrieron que podían alcanzar el umbral de percolación, el punto en el que sus muestras podrían llevar una corriente.

Se dieron cuenta de que esta corriente también tenía un resultado interesante:podía generar calor. Esto se debe a lo que se conoce como efecto Joule.

"El calentamiento por Joule (o calentamiento resistivo) es causado por interacciones entre los electrones y átomos en movimiento en el conductor, explica Nicolas Chanut, coautor del artículo y postdoctorado en MIT CSHub. "Los electrones acelerados en el campo eléctrico intercambian energía cinética cada vez que chocan con un átomo, inducir la vibración de los átomos en la red, que se manifiesta como calor y aumento de temperatura en el material ".

En sus experimentos, encontraron que incluso un voltaje pequeño, tan bajo como 5 voltios, podría aumentar las temperaturas de la superficie de sus muestras (aproximadamente 5 cm ³ de tamaño) hasta 41 grados Celsius (alrededor de 100 grados Fahrenheit). Si bien un calentador de agua estándar puede alcanzar temperaturas comparables, Es importante considerar cómo se implementaría este material en comparación con las estrategias de calefacción convencionales.

"Esta tecnología podría ser ideal para calefacción por suelo radiante en interiores, "explica Chanut." Por lo general, La calefacción radiante interior se realiza haciendo circular agua caliente por tuberías que corren por debajo del suelo. Pero este sistema puede ser difícil de construir y mantener. Cuando el propio cemento se convierte en un elemento calefactor, sin embargo, el sistema de calefacción se vuelve más sencillo de instalar y más fiable. Adicionalmente, el cemento ofrece una distribución del calor más homogénea debido a la muy buena dispersión de las nanopartículas en el material ".

El cemento de nanocarbono podría tener varias aplicaciones al aire libre, así como. Chanut y Soliman creen que si se implementan en pavimentos de concreto, el cemento de nanocarbono podría mitigar la durabilidad, sustentabilidad, y preocupaciones de seguridad. Gran parte de esas preocupaciones se derivan del uso de sal para descongelar.

"En Norte América, vemos mucha nieve. Para quitar esta nieve de nuestras carreteras se requiere el uso de sales descongelantes, que puede dañar el hormigón, y contaminar las aguas subterráneas, ", señala Soliman. Los camiones de servicio pesado que se utilizan para poner sal en las carreteras también son emisores pesados ​​y costosos de manejar.

Al habilitar la calefacción radiante en las aceras, El cemento nanocarbonado podría usarse para descongelar pavimentos sin sal para carreteras, potencialmente ahorrando millones de dólares en costos de reparación y operaciones al tiempo que soluciona problemas de seguridad y ambientales. En determinadas aplicaciones en las que es fundamental mantener unas condiciones excepcionales del pavimento, como las pistas de los aeropuertos, esta tecnología podría resultar especialmente ventajosa.

Alambres enredados

Si bien este cemento de última generación ofrece soluciones elegantes a una variedad de problemas, el logro de la multifuncionalidad planteaba una variedad de desafíos técnicos. Por ejemplo, sin una forma de alinear las nanopartículas en un circuito en funcionamiento, conocido como cableado volumétrico, dentro del cemento, su conductividad sería imposible de explotar. Para garantizar un cableado volumétrico ideal, Los investigadores investigaron una propiedad conocida como tortuosidad.

"La tortuosidad es un concepto que introdujimos por analogía desde el campo de la difusión, "explica Franz-Josef Ulm, un líder y coautor del artículo, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, y el consejero de la facultad en CSHub. "En el pasado, ha descrito cómo fluyen los iones. En este trabajo, lo usamos para describir el flujo de electrones a través del cable volumétrico ".

Ulm explica la tortuosidad con el ejemplo de un automóvil que viaja entre dos puntos de una ciudad. Si bien la distancia entre esos dos puntos en línea recta podría ser de dos millas, la distancia real recorrida podría ser mayor debido al circuito de las calles.

Lo mismo ocurre con los electrones que viajan a través del cemento. El camino que deben tomar dentro de la muestra es siempre más largo que la longitud de la muestra en sí. El grado en que ese camino es más largo es la tortuosidad.

Lograr la tortuosidad óptima significa equilibrar la cantidad y la dispersión del carbono. Si el carbono está demasiado disperso, el cableado volumétrico se volverá escaso, conduciendo a una gran tortuosidad. Similar, sin suficiente carbono en la muestra, la tortuosidad será demasiado grande para formar un directo, cableado eficiente con alta conductividad.

Incluso agregar grandes cantidades de carbono podría resultar contraproducente. En cierto punto, la conductividad dejará de mejorar y, En teoria, solo aumentaría los costos si se implementara a gran escala. Como resultado de estas complejidades, buscaban optimizar sus mezclas.

"Descubrimos que ajustando el volumen de carbono podemos alcanzar un valor de tortuosidad de 2, "dice Ulm." Esto significa que el camino que toman los electrones es sólo el doble de la longitud de la muestra ".

Cuantificar tales propiedades era vital para Ulm y sus colegas. El objetivo de su reciente artículo no era solo demostrar que el cemento multifuncional era posible, pero que también era viable para la producción en masa.

"El punto clave es que para que un ingeniero se encargue de las cosas, necesitan un modelo cuantitativo, "explica Ulm." Antes de mezclar materiales, desea poder esperar ciertas propiedades repetibles. Eso es exactamente lo que describe este documento; separa lo que se debe a las condiciones de contorno - condiciones ambientales [extrañas] - de lo que realmente se debe a los mecanismos fundamentales dentro del material ".

Aislando y cuantificando estos mecanismos, Solimán, Chanut, y Ulm esperan proporcionar a los ingenieros exactamente lo que necesitan para implementar cemento multifuncional a una escala más amplia. El camino que han trazado es prometedor y, gracias a su trabajo, no debería resultar demasiado tortuoso.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.