Un equipo, liderado por el profesor Zhou Yang de la Southeast University en China, logró crear un nuevo material cementicio compuesto cuya capacidad le permitiría, además de fabricar infraestructura, generar energía termoeléctrica y almacenarla en su matriz, lo que traería numerosos beneficios para la construcción de las ciudades del futuro.
Dado el contexto de cambio climático que vive el planeta, en el que es urgente transitar desde energías alimentadas por combustibles fósiles a las denominadas “energías limpias” -como las renovables no convencionales- el trabajar en la modificación de la ingeniería de los materiales resulta clave para mitigar sus efectos, además de incorporar nuevos aspectos al desarrollo de las ciudades.
En ese sentido, que investigadores de todo el mundo busquen nuevas maneras de diseñar al cemento y al hormigón, en cuanto material de construcción más utilizado para la construcción de entornos urbanos, para darle otras cualidades además de su probada resistencia y durabilidad. Ya se ha visto que en el MIT, por mencionar un ejemplo, se incorporó negro de carbón para convertir al material en un súpercondensador, con lo que se avanzaría en la construcción de infraestructura energéticamente independiente.
Siguiendo ese mismo camino, aunque con un diseño completamente distinto, un equipo de la Southeast University en China -liderado por el profesor Zhou Yang- desarrolló un material cementicio que, de acuerdo con la investigación del grupo, permitiría edificar cualquier tipo de infraestructura y que esta no dependa de estar conectada a una red de energía para alimentarse, sino que la reciba y la almacene en sus propios elementos.
Un diseño innovador para el mismo cemento de siempre
Este nuevo material, un compuesto de cemento e hidrogel, nació bajo la inspiración de las estructuras estratificadas que se forman en el interior de los tallos de las plantas. De esta manera, el equipo liderado por el académico creó un material capaz de aprovechar la energía térmica y transformarla en electricidad.
De acuerdo con el equipo, “la disparidad en la velocidad de difusión entre cationes y aniones dentro de una solución porosa de cemento, debido a las variaciones en las interacciones con muros porosos, confiere al material propiedades termoeléctricas iónicas inherentes”.
No obstante, explicaron que “el aislamiento de los poros por la densa matriz de cemento dificulta el transporte rápido de iones con velocidades de difusión superiores, lo que impide el aumento de la diferencia de movilidad entre los iones y limitando el aumento en el coeficiente de Seebeck”.
Para resolver ese inconveniente, el equipo liderado por el profesor Yang desarrolló una estructura de múltiples capas, las que intercalaron entre capas de cemento tradicional y de un hidrogel de alcohol polivinílico (PVA). Con esto, solucionaron el problema de movilidad de los iones, ya que el hidrogel se “transformó” en una suerte de vía rápida para los iones de hidróxido, mientras que las interfaces entre la matriz de cemento y el hidrogel se diseñaron para unirse fuertemente a los iones de calcio, pero fuesen más débiles con los iones de hidróxido.
Así, los investigadores lograron incrementar el efecto termoeléctrico de la matriz de cemento al acelerar el movimiento de ciertos iones y generar una mayor diferencia de movilidad.
Las nuevas propiedades del cemento compuesto
Los resultados en laboratorio que obtuvo el equipo de este nuevo material cementicio son alentadores. Este desarrollo alcanzó un coeficiente de Seebeck de -40,5 mV/K y una figura de mérito (ZT) de 6,6 × 10⁻². Estos valores son 10 y 6 veces más altos, respectivamente, a los registrados con materiales termoeléctricos a base de cemento anteriores.
Asimismo, el equipo liderado por el profesor Yang destaca que, además de generar electricidad, este nuevo material cementicio puede almacenar energía. Esto, dicen los investigadores, porque al tener multicapas en su matriz, además de propiedades mecánicas fuertes, posee cualidades ya integradas para transformarse en un depósito de energía.
“La estructura multicapa de este nuevo material cementicio genera abundantes interfaces, lo que proporciona amplios sitios de interacción que maximizan la contribución de los iones de cemento al rendimiento termoeléctrico”, destacaron los investigadores. “La estructura biomimética y el mecanismo de inmovilización interfacial selectivo podrían allanar el camino para el diseño y fabricación de materiales termoeléctricos iónicos de alto desempeño”, aseguraron.
Por ahora, los ensayos con este nuevo tipo de cemento se realizaron sólo a nivel de laboratorio y aún falta realizar pruebas a escalas más reales. Por lo pronto, sólo queda pensar en las posibilidades que tendría este cemento -y el hormigón que permita producir- para la construcción de infraestructura resiliente y energéticamente independiente.
