Podría ayudar a los edificios a generar su propia energía. El material bioinspirado, con un coeficiente Seebeck de -40,5 mV/K, supera en diez veces a todos los materiales termoeléctricos basados en cemento conocidos.
Investigadores han creado un material a base de cemento que no solo proporciona soporte estructural: también puede generar y almacenar electricidad. Este avance podría marcar un antes y un después en la infraestructura futura de las ciudades inteligentes (El cemento que convierte el calor en electricidad).
El material es un compuesto de cemento e hidrogel desarrollado por un equipo dirigido por el profesor Zhou Yang de la Universidad del Sureste de China. El equipo se inspiró en la estructura estratificada del interior de los tallos de las plantas para crear un material capaz de aprovechar la energía térmica y convertirla en electricidad.
Este nuevo material de cemento alcanza un coeficiente de Seebeck de −40,5 mV/K y una figura de mérito (ZT) de 6,6 × 10⁻². Estos valores son diez y seis veces superiores, respectivamente, a los registrados con materiales termoeléctricos a base de cemento anteriores.
En la Conferencia Global de Biología Sintética SynBioBeta de este año, la sesión «Superando las Emisiones de Carbono de la Industria del Hormigón» abordará los desafíos actuales para reducir las emisiones relacionadas con el hormigón. El debate destacará cómo los materiales de bioingeniería, como el compuesto de cemento de reciente desarrollo, podrían desempeñar un papel fundamental en el avance de la construcción sostenible.
Abordar las limitaciones del cemento con capas de hidrogel
El cemento tiene la capacidad natural de generar electricidad mediante el llamado efecto termoeléctrico iónico. Sin embargo, este efecto siempre ha sido demasiado débil para ser práctico. Esto se debe a que la densa matriz del cemento limita la velocidad a la que los iones pueden moverse a través de ella.
“La disparidad en la tasa de difusión entre cationes y aniones dentro de la solución de los poros del cemento debido a las variaciones en las interacciones con las paredes de los poros otorga al cemento propiedades termoeléctricas iónicas inherentes”, afirmaron los investigadores.
“Sin embargo, el aislamiento de los poros por la densa matriz de cemento dificulta el transporte rápido de iones con tasas de difusión superiores, lo que impide la mejora de la diferencia de movilidad entre iones y limita la mejora del coeficiente de Seebeck”.
Para solucionar esto, el equipo de investigación construyó una estructura multicapa que alterna entre cemento tradicional y capas de hidrogel de alcohol polivinílico (PVA). Este diseño resuelve el problema de la movilidad iónica de forma inteligente.
Las capas de hidrogel sirven como vías rápidas para los iones hidróxido (OH⁻), mientras que las interfaces entre el cemento y el hidrogel están diseñadas para unirse fuertemente con los iones calcio (Ca²⁺) y más débilmente con los OH⁻. Este desequilibrio contribuye a aumentar el efecto termoeléctrico al acelerar el movimiento de ciertos iones y generar una mayor diferencia de movilidad.
Estructuras inteligentes con energía incorporada (El cemento que convierte el calor en electricidad)
Lo que hace a este material especialmente prometedor es que no solo genera electricidad, sino que también la almacena. Su singular arquitectura multicapa le otorga sólidas propiedades mecánicas y capacidad integrada de almacenamiento de energía. Esto significa que los edificios, carreteras y puentes construidos con este material podrían algún día alimentar sensores y sistemas de comunicación inalámbrica integrados directamente en la estructura.
Los investigadores explicaron que la estructura multicapa del CPC crea numerosas interfaces, ofreciendo muchos sitios de interacción que mejoran el papel de los iones de cemento en el aumento del rendimiento termoeléctrico.
“La estructura biomimética y el mecanismo de inmovilización selectiva interfacial pueden allanar el camino para el diseño y la fabricación de materiales termoeléctricos iónicos de alto rendimiento”, agregaron .
Este avance podría transformar el futuro de la construcción . Imagine aceras que alimenten el alumbrado público o puentes que monitoreen su propia salud estructural sin fuentes de energía externas. Con el crecimiento de las ciudades y el auge de las tecnologías inteligentes, materiales como este compuesto de cemento e hidrogel ofrecen una visión de un futuro urbano más eficiente y sostenible.