Ученые Университета Райса разработали сферы из силиката кальция микронного размера, которые могут привести к более прочному и экологически чистому бетону, наиболее используемому в мире синтетическому материалу.
Ученый, занимающийся изучением рисовых материалов, Роузбех Шахсавари и аспирант Сунг Хун Хван, говорят, что сферы представляют собой строительные блоки, которые можно изготовить с низкими затратами, и они обещают смягчить энергоемкие методы, используемые в настоящее время для производства цемента, наиболее распространенного вяжущего вещества в мире. бетон.
Исследователи сформировали сферы в растворе вокруг наноразмерных семян обычного детергентного поверхностно-активного вещества. Сферы можно заставить самособираться в твердые тела, которые будут прочнее, тверже, эластичнее и долговечнее, чем вездесущий портландцемент.
«У цемента не самая лучшая структура», - сказал Шахсавари, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии. «Частицы цемента аморфны и дезорганизованы, что делает его немного уязвимым для трещин. Но с этим материалом мы знаем, каковы наши пределы, и мы можем направлять полимеры или другие материалы между сферами, чтобы контролировать структуру снизу вверх и прогнозировать. точнее, как он мог сломаться."
Он сказал, что сферы подходят для инженерии костной ткани, изоляции, керамических и композитных материалов, а также цемента.
Исследование опубликовано в журнале Langmuir Американского химического общества.
Работа основана на проекте Шахсавари и Хванга 2017 года по разработке самовосстанавливающихся материалов с пористыми микроскопическими сферами из силиката кальция. Новый материал не является пористым, так как твердая оболочка из силиката кальция окружает затравку поверхностно-активного вещества.
Но, как и в предыдущем проекте, он был вдохновлен тем, как природа координирует границы между разнородными материалами, особенно в перламутре (он же перламутр), материале морских ракушек. Сила перламутра является результатом чередования жестких неорганических и мягких органических пластинок. Поскольку сферы имитируют эту структуру, они считаются биомиметическими.
Исследователи обнаружили, что они могут контролировать размер сфер диаметром от 100 до 500 нанометров, манипулируя поверхностно-активными веществами, растворами, концентрациями и температурами во время производства. По словам Шахсавари, это позволяет настраивать их для различных приложений.
«Это очень простые, но универсальные строительные блоки, две ключевые черты многих биоматериалов», - сказал Шахсавари.«Они обеспечивают расширенные функциональные возможности синтетических материалов. Ранее были попытки создать строительные блоки из пластин или волокон для композитов, но в этой работе используются сферы для создания прочных, жестких и адаптируемых биомиметических материалов.
"Формы сфер важны, потому что их гораздо легче синтезировать, самостоятельно собрать и масштабировать с точки зрения химии и крупномасштабного производства."
В ходе испытаний исследователи использовали два обычных поверхностно-активных вещества для изготовления сфер и прессовали свои продукты в гранулы для испытаний. Они узнали, что гранулы на основе DTAB лучше уплотняются и являются более прочными, с более высоким модулем упругости, чем гранулы CTAB или обычный цемент. Они также показали высокое электрическое сопротивление.
Шахсавари сказал, что размер и форма частиц в целом оказывают значительное влияние на механические свойства и долговечность сыпучих материалов, таких как бетон. «Очень полезно иметь что-то, что вы можете контролировать, а не материал, который случайен по своей природе», - сказал он.«Кроме того, можно смешивать сферы разного диаметра, чтобы заполнить промежутки между самособирающимися конструкциями, что приведет к более высокой плотности упаковки и, следовательно, к механическим свойствам и долговечности».
Он сказал, что повышение прочности цемента позволяет производителям использовать меньше бетона, уменьшая не только вес, но и энергию, необходимую для его производства, и выбросы углерода, связанные с производством цемента. Поскольку сферы уплотняются более эффективно, чем рваные частицы обычного цемента, полученный материал будет более устойчивым к разрушающим ионам воды и других загрязнителей и потребует меньшего обслуживания и менее частой замены.