메타물질 콘크리트: 가장 널리 사용되는 건축 자재 재창조

피츠버그 대학교 2023년 5월 6일

고속도로에서 사용되는 새로운 메타물질 콘크리트를 묘사한 컨셉 아트워크. 크레딧: Midjourney를 통한 Amir Alavi

피츠버그 대학의 엔지니어들은 디자인을 재구성하여 콘크리트를 21세기에 맞게 바꾸고 있습니다. 로마제국에 뿌리를 둔 콘크리트는 건설 산업에서 가장 널리 사용되는 재료로 남아있습니다.

새로운 연구에서는 메타물질 콘크리트를 도입하여 스마트 토목 인프라 시스템 개발을 위한 개념을 제시합니다. 이 연구는 통합된 에너지 수확 및 감지 기능을 갖춘 가볍고 기계적으로 조정 가능한 콘크리트 시스템에 대한 개념을 제시합니다.

이번 연구의 교신저자이자 피트대학교 토목환경공학과 조교수인 아미르 알라비(Amir Alavi)는 “현대 사회는 고대 로마인들이 최초로 창조한 이후 수백 년 동안 건설에 콘크리트를 사용해 왔다”고 말했다. "우리 인프라 프로젝트에서 콘크리트를 대량으로 사용한다는 것은 보다 경제적이고 환경적으로 지속 가능하면서도 고급 기능을 제공하는 차세대 콘크리트 재료를 개발해야 한다는 것을 의미합니다. 우리는 메타물질 패러다임을 산업에 도입함으로써 이러한 모든 목표를 달성할 수 있다고 믿습니다. 건축자재를 개발합니다."

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"}]"> 메타물질을 연구하고 스마트 임플란트와 같은 응용 분야에서의 활용을 탐구했습니다. 본 연구에서는 콘크리트 제작에 메타물질을 사용하여 해당 목적에 맞게 재료를 구체적으로 설계할 수 있는 방법을 소개합니다. 취성, 유연성, 성형성과 같은 특성을 재료 제작 과정에서 미세 조정할 수 있으므로 건축업자는 강도나 수명을 희생하지 않고 재료를 덜 사용할 수 있습니다.

Alavi는 "이 프로젝트는 초압축성과 에너지 수확 능력을 갖춘 최초의 복합 메타물질 콘크리트를 제시합니다"라고 말했습니다. "이러한 가볍고 기계적으로 조정 가능한 콘크리트 시스템은 공항의 충격 흡수 공학 재료와 같은 다양한 응용 분야에서 콘크리트를 사용하여 폭주 비행기를 늦추거나 지진 기반 격리 시스템을 도울 수 있는 문을 열 수 있습니다."

그뿐만 아니라, 그 물질은 전기를 생산할 수도 있습니다. 전력망에 전력을 보낼 만큼 충분한 전기를 생산할 수는 없지만 생성된 신호는 도로변 센서에 전력을 공급하기에 충분합니다. 기계적 여기 하에서 메타물질 콘크리트에 의해 자체 생성된 전기 신호는 콘크리트 구조물 내부의 손상을 모니터링하거나 건물에 미치는 영향을 줄이면서 지진을 모니터링하는 데 사용될 수도 있습니다.

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 신호가 너무 약하거나 LIDAR가 작동하지 않습니다.

이 재료는 전도성 시멘트 매트릭스에 내장된 강화된 팽창 폴리머 격자로 구성됩니다. 복합 구조는 기계적으로 작동될 때 층 사이에 접촉 대전을 유도합니다. 흑연 분말로 강화된 전도성 시멘트는 시스템의 전극 역할을 합니다. 실험 연구에 따르면 이 소재는 반복 부하 시 최대 15%까지 압축되고 330μW의 전력을 생산할 수 있는 것으로 나타났습니다.