Marcado europeo y Declaraciones Ambientales de Productos de la  Construcción (DAPc)

Los materiales piezoeléctricos son materiales tan inteligentes que producen un voltaje cuando se les aplica tensión. Dado que este efecto también se aplica de manera inversa, un voltaje a través de la muestra producirá tensión dentro de la muestra. Por lo tanto, se pueden construir estructuras adecuadamente diseñadas a partir de estos materiales que se doblen, expandan o contraigan cuando se aplica un voltaje, haciéndolas adaptables a situaciones ambientales. Cuando se integra en un miembro estructural, un material piezoeléctrico genera un campo eléctrico en respuesta a fuerzas mecánicas.

Los materiales electrocrómicos alteran sus propiedades de transmisión de luz cuando se les aplica voltaje, lo que los hace lo suficientemente adaptables para mantener paneles cromáticos y estructuras similares.

Se utilizan diferentes tipos de materiales inteligentes en diferentes proyectos o campos de estudio en ingeniería civil. La clasificación de estos materiales según su criterio de adaptabilidad y superelasticidad puede ayudar en la correcta evaluación de los requisitos estructurales. Se han anotado algunas aplicaciones básicas de estos materiales inteligentes en el campo de la ingeniería civil. Cabe señalar que son más las propiedades de las que son capaces estos materiales.

El hormigón inteligente (un compuesto de fibras de carbono y hormigón) utilizado en estructuras inteligentes es capaz de detectar grietas/fallas estructurales diminutas. En edificios de gran altura, dicha detección puede ayudar en el funcionamiento adecuado de los edificios y el mantenimiento de la capacidad de servicio. El hormigón inteligente bajo el proceso de carga y descarga perderá y recuperará su conductividad, sirviendo así como material estructural y como sensor. Esto también ayuda en la longevidad de las estructuras.

También ha habido un uso extensivo de materiales de construcción inteligente con fines de mantenimiento. De hecho, se pueden usar para rehabilitar el agrietamiento del hormigón cuando se usa material inteligente de súper elasticidad como barra de refuerzo. Se utilizan para monitorear las estructuras de ingeniería civil para evaluar su durabilidad y capacidad de carga durante más tiempo.

El uso de materiales inteligentes permite la construcción de puentes inteligentes, especialmente puentes atirantados con una luz más amplia para evitar la mayor susceptibilidad a las vibraciones causadas por factores ambientales como el viento, la lluvia o el tráfico. Además, en el transporte marítimo y ferroviario, los materiales inteligentes encuentran aplicaciones para el control de la tensión mediante sensores de fibra óptica integrados.

La absorción repetida de grandes cantidades de energía de deformación bajo carga sin deformación permanente ayuda en grandes presas y túneles de tal manera que bajo una gran presión mantienen la sostenibilidad.

Los materiales inteligentes tienen una excelente propiedad de resistencia a la corrosión (comparable a los aceros inoxidables de la serie 300) y son de naturaleza no magnética. En túneles subterráneos profundos, tales propiedades ayudan a aumentar su duración.

Es más probable que las conexiones de diferentes componentes estructurales se dañen en caso de terremoto. Los conectores SMA se han diseñado para proporcionar amortiguación y resistir deformaciones relativamente grandes.

LA INVESTIGACIÓN

Ounaies, profesor de ingeniería mecánica en Penn State, es director del Centro de Convergencia para Sistemas de Materiales Multifuncionales Vivos, una asociación de investigación entre Penn State y la Universidad de Freiburg en Alemania. Conocido como LiMC2, el centro es uno de los pocos en el mundo enfocados en este campo emergente.

 “Ingenieros y científicos han trabajado durante cientos de años con los llamados materiales inteligentes”, dice Zoubeida Ounaies. "La piezoelectricidad se descubrió en la década de 1880". Los materiales inteligentes pueden sentir y responder a su entorno, explica, “pero siempre necesitan un sistema de control externo o una fuente de energía. Los materiales vivos que se adaptan, responden al medio ambiente, se fortalecen a sí mismos y se regeneran, de la misma manera que lo hacen los materiales en la naturaleza, son el siguiente paso lógico”.

Los materiales vivos, explica Ounaies, son materiales diseñados inspirados en la naturaleza. A veces incluso incorporan elementos biológicos. Sus propiedades dinámicas, en todo caso, les permiten adaptarse a los cambios de su entorno, respondiendo a estímulos externos. Pueden cambiar de forma, curarse a sí mismos, incluso tomar decisiones simples.

La contraparte de Ounaies en Freiburg es Jurgen Ruhe , director del Clúster de Excelencia en Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Autónomos de Energía ( liv MatS) . En un seminario web el verano pasado, Ruhe lo expresó de esta manera: “Si observamos los materiales de hoy, una de las características clave es que los materiales tienen propiedades que no varían con el tiempo. Pero si volvemos nuestra mirada a la naturaleza, nada es realmente constante. Para los sistemas vivos, la adaptabilidad es la clave para la supervivencia. El objetivo de nuestro grupo liv MatS es generar sistemas de materiales que puedan adaptarse a los cambios en el entorno en función de la información sensorial y luego mejorar durante su vida útil”.

Además, dice Speck, las plantas hacen su magia con un número muy limitado de materiales estructurales. “Celulosa, hemicelulosa, lignina, un poco de pectina. Tres polisacáridos y un polímero poliaromático complejo. Con estos materiales, que son todos relativamente fáciles de reciclar, pueden hacer estructuras fantásticas, sistemas fantásticos que funcionan increíblemente bien”.

Un ejemplo simple es el cono de pino, cuyas escamas en forma de paleta se abren y cierran en respuesta a los cambios en la humedad ambiental. En el Jardín Botánico, Speck y sus colegas analizaron piñas fosilizadas de 50 millones de años y descubrieron que todavía funcionan como especímenes modernos. “Y no cuesta energía, porque los cambios de humedad son provocados por la luz del sol”, dice.    

Tan increíblemente robusto como es el mecanismo natural, la piña es simplemente reactiva, señala Speck. “Si está mojado, está cerrado. Si está seco, está abierto”. Al adaptar este principio, dice: “Queremos diseñar sistemas que sean interactivos, que puedan combinar movimientos, que tomen decisiones. Para nosotros, la biomimética significa que nos inspiramos en la naturaleza y luego reinventamos la naturaleza. No lo copiamos. Queremos combinar lo mejor de ambos mundos: naturaleza viva y técnica”.
 

El hormigón es el material de construcción más utilizado en la Tierra. Desplegado en las condiciones más duras, expuesto al implacable ataque de ácidos y sales ambientales, el hormigón se degrada con el tiempo. La erosión y la oxidación de las barras de refuerzo incrustadas provocan un eventual debilitamiento.

Los materiales activados con álcali son una posible alternativa. Estos han atraído la atención mundial porque pueden producirse a partir de los subproductos de los procesos industriales: fabricación de acero y quema de carbón. También se pueden hacer de arcilla, el material más abundante en el mundo. Y se pueden producir a temperatura ambiente, por lo que son tanto locales como ecológicos.

Los nuevos materiales no solo resistirán la corrosión, sino que tendrán la capacidad de repararse a sí mismos.  Por ejemplo, los sensores de próxima generación hechos con metamateriales podrían funcionar como computadoras pasivas en lugares donde la electricidad no es fácilmente accesible.

Los sistemas de ingeniería como los metamateriales de computación pasiva o el hormigón autorreparable también serían sostenibles de otras maneras. Debido a la capacidad de detectar cambios en ellos mismos y en sus entornos y comunicarse con estructuras cercanas, estos materiales ahorrarían el coste de energía de la transmisión de datos y repartirían la carga de la toma de decisiones. En lugar de abrumar un centro de procesamiento central con océanos de datos recopilados de miles o millones de sensores electrónicos, un material vivo instalado podría detectar y responder por sí mismo.