Innovation i avancerade material erbjuder den störande potentialen att förändra hur vi bygger våra framtida städer – och göra dem grönare och smartare.

Byggandet är förknippat med de så kallade Foundation Industries—som spänner över cementglaset, keramik, metaller, pappers- och bulkkemikalier – som totalt producerar 28 miljoner ton material per år och står för upp till 10 procent av Storbritanniens totala koldioxid ₂ utsläpp.

Om vi ​​betraktar Climate Change Act (2008) och den brittiska regeringens uppmaning att minska koldioxidutsläppen till 80 procent under de nivåer som sågs 1990 till 2050, så är denna sektor helt klart ett uppenbart fokus för ett nytt tillvägagångssätt. Innovation i nya material kommer i hög grad att hjälpa stadsplanerare, utvecklare och byggare för att bygga en koldioxidfri värld från grunden.

Minska betongutsläpp

En självklar kandidat är att lägga grafen i betong. Enligt Chatham House, institutet för internationella frågor, den globala produktionen av cement – ​​"limmet" som håller ihop betongen – står för svindlande åtta procent av världens koldioxid ₂ produktion.

De senaste experimenten med grafenförstärkt betong har varit riktigt lovande. Min kollega Adrian Nixon, redaktören för Nixene Journal (en oberoende publikation tillägnad grafen och 2-D materialvetenskapsnyheter), har gjort en genomgång av de olika studierna om att tillsätta små mängder grafen och grafenoxid till betong. Adrians granskning avslöjade att tillsatsen av bara 0,03 procent grafenpulver ökade betongens hållfasthet med ett konservativt genomsnitt på 25 procent.

Så, med tanke på cementproduktionens andel av den globala CO ₂ utsläpp, det skulle därför kunna hävdas att genom att leverera en 25 procents effektivitet för betongproduktion genom tillsats av grafen, vi skulle i sin tur kunna se detta löpa genom försörjningskedjan och potentiellt leverera två procents minskning av den globala koldioxidutsläppen ₂ nivåer. Det är ett spännande förslag och ett som skulle kunna diskuteras långt – men den väsentliga punkten är denna:genom att lägga till en blygsam mängd grafen till ett byggmaterial som betong, vi kan förvänta oss en transformerande påverkan på vår miljö.

Smartare städer

Idén med att förbättra hållbarheten hos materialen för att bygga är helt klart där vi bör lägga stor uppmärksamhet – men ett annat mycket intressant område som kanske förbises är hur vi kan använda fördelarna med avancerade material för att stödja framtidens smarta städer.

Smarta städer ses som ett sätt att göra våra stadsmiljöer mycket mer effektiva och grönare genom antagandet av digital teknik som kan, till exempel, bättre integrera och hantera våra el- och energisystem.

Dock, tänk om en del av denna teknik var inbäddad direkt i materialen som gick in i våra byggnader och infrastruktur? Det spännande med grafen och den bredare familjen av 2D-material – och de oändliga kombinationerna av dessa ultratunna lager för att utveckla helt nya "designermaterial" som jag gemensamt kallar "grafenerna" - är deras extraordinära multifunktionella förmåga. Sådana material skulle vara idealiska för att utveckla en ny generation av smart infrastruktur.

Avancerade vägnät

Som ett exempel, Graphene Engineering Innovation Centre, flaggskeppet för avancerad materialaccelerator baserad på University of Manchester, arbetar för närvarande med ett antal projekt med Highways England, det statliga företaget som ansvarar för mycket av landets vägnät, och Arcadis, ett ledande globalt design- och konsultföretag för naturtillgångar och byggda tillgångar.

Vi stödjer partners inklusive Arcadis och Highways England i att ta itu med utmaningarna kring konstruktion och vägnätet. Ett exempel kan vara när elektriska kretsar måste appliceras på nätverket, vanligtvis under jord och möjligheten att utveckla teknik som kan bäddas in i själva vägstrukturen och läggas samtidigt med motorvägen, till exempel, som en integrerad del av strukturen.

Detta är fortfarande potentiellt ett snabbt projekt av typen "gör eller bryt" och kommer att kräva mycket nytt tänkande - men lösningen kan vara inom bitumen eller en ytmarkör, som väglinjen.

Kan vägen själv ladda din bil?

Men tänk om vi kunde använda denna multifunktionella förmåga i all infrastruktur och byggnader som utgör en stad eller stad? Det skulle förvandla anslutningsmöjligheter och göra själva strukturen i våra byggda miljöer lyhörd och intuitiv för våra dagliga behov.

Så, vi kan börja föreställa oss laddpunkter som är inbäddade över vårt vägnät – och varje gång en e-bil stannar vid trafikljus eller vilar på en parkeringsplats kan den laddas på plats. Om framtidens fordon använde hybridenergilagring – dvs en batteridrivlina med en superkondensatorenhet – skulle de snabbt kunna laddas när deras förare glatt åker i stan. Och de batterierna och superkondensatorerna skulle självklart, har nya material som gör att de kan fungera mycket mer effektivt jämfört med de energilagringsenheter vi tvingas använda idag.

Liknande framsteg skulle kunna göras med sensorteknik, vilket kommer att vara avgörande om städer ska uppnå de nödvändiga anslutningsnivåerna som behövs för att bli smartare, effektivare och i slutändan grönare. Grafen och sensorer är en naturlig kombination eftersom grafens stora yta-till-volym-förhållande, unika optiska egenskaper, utmärkt elektrisk ledningsförmåga och rörlighet och hög värmeledningsförmåga kan alla avsevärt förbättra funktionaliteten hos en rad sensorer.

Grafen och avancerade material har potentiellt en enorm roll att spela för att göra våra byggnader och infrastruktur inte bara betydligt grönare utan bevisligen smartare. När vi ser på att möta klimatförändringsutmaningen och siktar på att "bygga tillbaka bättre", Jag är övertygad om att vi mer brådskande måste utforska hur avancerade material kan utgöra byggstenarna för en spännande ny framtid.