Nowy, odporny na pękanie materiał cementowy inspirowany naturą

Zespół badawczy kierowany przez Rezę Moini, adiunkta inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie Princeton, opracował nowy kompozytowy materiał cementowy, który jest znacznie bardziej odporny na pękanie i elastyczny niż standardowy cement.

Wyniki opublikowano w czasopiśmie 10 czerwca Zaawansowane materiały funkcjonalneMoże zrewolucjonizować branżę budowlaną oraz poprawić bezpieczeństwo i trwałość szerokiej gamy delikatnych materiałów ceramicznych.

Plan natury zapewnia tajny przepis

Inspiracja dla tego innowacyjnego związku cementowego przyszła z nieoczekiwanego źródła: materiału, z którego powstają ostrygi i muszle uchowca, znanego jako masa perłowa lub masa perłowa.

Shashank Gupta, absolwent Moini Uniwersytet Princeton Laboratorium wyjaśniło, że na poziomie mikroskopowym masa perłowa składa się z sześciokątnych krążków twardego minerału zwanego aragonitem, połączonych miękkim biopolimerem.

„Ta synergia między twardymi i miękkimi składnikami ma kluczowe znaczenie dla wyjątkowych właściwości mechanicznych masy perłowej” – powiedział Gupta.

Krążki aragonitu znacząco przyczyniają się do wytrzymałości masy perłowej, natomiast biopolimer zwiększa elastyczność i odporność na pękanie.

Poddane naciskowi krążki aragonitu ślizgają się, umożliwiając rozproszenie energii masy perłowej i zachowanie integralności strukturalnej, dzięki czemu jest mocna i elastyczna.

Bardziej rygorystyczna inżynieria materiałów cementowych

Zainspirowany wyjątkowymi właściwościami muszli zespół Princeton postanowił stworzyć kompozyt cementowy naśladujący jego strukturę, przy użyciu tradycyjnych materiałów budowlanych, takich jak kit z cementu portlandzkiego i ograniczona ilość polimeru.

Naukowcy stworzyli małe, wielowarstwowe belki, naprzemiennie arkusze zaczynu cementowego cienkimi warstwami polimeru o wysokiej rozszerzalności zwanego poliwinylosiloksanem.

Następnie poddali te belki trzypunktowemu testowi zginania, aby ocenić ich odporność na pękanie i odporność na pękanie.

Zespół wyprodukował trzy typy belek:

1. Jedna z naprzemiennymi warstwami cienkich arkuszy pasty cementowej i polimerowej
2. Inne mają sześciokątne rowki wygrawerowane w arkuszach pasty cementowej za pomocą lasera
3. Trzeci zawiera całkowicie oddzielne sześciokątne krążki przymocowane do warstwy polimeru, podobnie jak aragonit nakłada się na warstwę biopolimeru w muszlach.

Eksperymenty wykazały, że najbardziej znaczące ulepszenia wykazały belki z całkowicie oddzielnymi sześciokątnymi tarczami, które bardzo przypominają strukturę skorupy.

Belki te wykazały 19-krotną plastyczność i 17-krotną odporność na pękanie, zachowując przy tym prawie taką samą wytrzymałość jak belka z masy szpachlowej z litego cementu.

„Nasze podejście inspirowane biologią nie polega tylko na naśladowaniu mikrostruktury natury, ale także na uczeniu się na podstawie podstawowych zasad i wykorzystywaniu ich do kierowania inżynierią materiałów wytworzonych przez człowieka” – powiedział Moini. „Celowo przekształcamy defekty w kruche materiały, aby z założenia uczynić je mocniejszymi”.

Nowa era w cementowych materiałach budowlanych

Chociaż wyniki zależą od warunków laboratoryjnych i potrzebne są dodatkowe badania w celu opracowania technik stosowanych w tej dziedzinie, potencjalne implikacje dla branży budowlanej są szeroko zakrojone.

„Jeśli uda nam się zaprojektować beton tak, aby był odporny na rozprzestrzenianie się pęknięć, możemy uczynić go mocniejszym, bezpieczniejszym i trwalszym” – powiedział Gupta.

Naukowcy pracują nad ustaleniem, czy odporność na pękanie i plastyczność konstrukcji mają zastosowanie do materiałów ceramicznych innych niż zaczyn cementowy, takich jak beton.

„Tylko drapiemy powierzchnię; „Będzie wiele możliwości projektowania umożliwiających badanie i inżynierię właściwości twardych i miękkich materiałów, interfejsów i aspektów geometrycznych, które odgrywają rolę w podstawowych efektach objętościowych materiałów budowlanych” – powiedział Moini.

Cement odporny na pękanie inspirowany naturą

Krótko mówiąc, badania przeprowadzone przez inżynierów Princeton otwierają świat możliwości tworzenia mocniejszych, bezpieczniejszych i trwalszych materiałów budowlanych.

Czerpiąc inspirację ze złożonej konstrukcji masy perłowej występującej w muszlach ostryg i uchowców, zespół opracował związek cementowy, który radykalnie poprawia odporność na pękanie i elastyczność.

W miarę jak badacze będą kontynuować badanie potencjalnych zastosowań tego inspirowanego biologią podejścia, branża budowlana odniesie korzyści z nowej ery elastycznych i zrównoważonych materiałów.

Przyszłość budownictwa leży w rękach innowacyjnych umysłów, które odważą się szukać rozwiązań w naturze, a zespół Princeton zrobił ważny krok naprzód w dekodowaniu odporności inżynieryjnej.

Pełne badanie opublikowano w czasopiśmie Zaawansowane materiały funkcjonalne.

—–

Podoba Ci się to, co przeczytałem? Zapisz się do naszego newslettera, aby otrzymywać ciekawe artykuły, ekskluzywne treści i najnowsze aktualizacje.

Odwiedź nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji udostępnionej przez Erica Rallsa i Earth.com.

—–