Цемент может преобразовывать тепловую энергию в электричество за счет разной подвижности ионов в своей пористой структуре. Однако из-за высокой плотности материала ионы перемещаются слишком медленно, что ограничивает эффективность такого преобразования. Вдохновившись слоистой структурой стеблей растений, китайские инженеры создали многослойный композит с чередующимися слоями цемента и гидрогеля. Гидрогель ускоряет движение ионов, усиливая термоэлектрический эффект. Новый цемент можно использовать при строительстве «умных» дорог, тротуаров, мостов и зданий, способных питать электронику.

Цемент обладает естественной способностью генерировать электричество благодаря ионному термоэлектрическому эффекту. Как поясняют исследователи, разница в скорости диффузии катионов и анионов в порах цемента, обусловленная их неодинаковым взаимодействием со стенками пор, создает естественные термоэлектрические свойства. Однако этот способ преобразования тепла в электричество пока не подходит для реального использования. Из-за плотной структуры цемента ионы движутся слишком медленно, что снижает эффективность процесса.

Чтобы решить проблему, ученые разработали многослойный материал, чередуя обычный цемент и гидрогель из поливинилового спирта. Такая структура решает проблему с движением ионов. Слои гидрогеля обеспечивают быстрый путь для гидроксид-ионов (OH⁻). При этом границы между цементом и гидрогелем специально созданы так, чтобы прочно связываться с ионами кальция (Ca²⁺) и слабее — с OH⁻. Эта разница помогает усилить термоэлектрический эффект, поскольку ускоряет одни ионы и замедляет другие, создавая больший перепад в их подвижности.

Многослойное строение создает множество границ между слоями. Эти границы обеспечивают большее количество точек взаимодействия, что усиливает влияние ионов цемента на преобразование тепла в электричество.

Новый цемент демонстрирует коэффициент Зеебека −40,5 мВ/К и термоэлектрический коэффициент эффективности 6,6×10⁻². Эти значения в 10 и 6 раз соответственно превышают достижения предыдущих цементных термоэлектриков. Коэффициент Зеебека — это показатель, который характеризует способность материала преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение.

Главное преимущество заключается в двойной функции материала: он не только генерирует, но и накапливает энергию. Многослойная структура сочетает высокую механическую прочность с возможностями энергохранения. Из этого цемента можно будет создавать «умные» строительные конструкции — здания, дороги и мосты, способные автономно питать встроенные датчики и системы беспроводной связи.