Istraživači sa Rice University razvili su kalcijum-silikatne sfere veličine mikrona koje beton mogu učiniti jačim i zelenijim.
Sudeći prema naučniku Rouzbeh Shahsavari i studentu postdiplomskih studija Sung Hoon Hwang sa Ricea, ovakav beton se može napraviti po niskoj ceni i smanjiti energetsko intenzivne tehnike koje se sada koriste za proizvodnju cementa, najčešćeg veziva u betonu.
Istraživači su oblikovali sfere u rastvoru oko zrna nano veličina zajedničkog surfaktanta (površinski aktivne supstance nalik deterdžentu). Sfere mogu biti podstaknute da same formiraju čvrste supstance koje su jače, tvrđe, elastičnije i izdržljivije od zastupljenog portland cementa.
„Cement nema najfiniju strukturu", rekao je Shahsavari, asistent profesora sa Katedre za materijale i nanoinženjering. "Cementne čestice su amorfne i neorganizovane, što ih čini da budu malo podložne pukotinama. Međutim, sa ovim materijalom znamo koje su naše granice i možemo da usmerimo polimere ili druge materijale između sfera kako bismo kontrolisali strukturu odozdo prema vrhu i predvideli tačnije kako bi mogle da se prelome."
Rekao je da su sfere pogodne za inženjering koštanog tkiva, izolaciju, keramiku i kompozitnu primenu kao i cement.
Oglas
Istraživanje je objavljeno u časopisu American Chemical Society „Langmuir“.
Kalcijum-silikatne sfere (foto: Rice University)
Rad se zasniva na projektu Shahsavarija i Hwanga iz 2017. godine. Oni su razvili samoobnavljajući materijal sa poroznim, mikroskopskim kalcijum-silikatnim sferama. Novi materijal nije porozan, jer čvrsta kalcijum-silikatna opna okružuje zrno sulfaktanta.
Ali kao i raniji projekat, inspirisan je time kako priroda koordinira interfejsima između različitih materijala, naročito kod sedefa („majke bisera“), materijala koji proizvode školjke. Snaga sedefa je rezultat promenjivih krutih neorganskih i mekih organskih „trombocita“. Zbog toga što sfere simuliraju tu strukturu, one se smatraju biomimikrijskim.
Istraživači su otkrili da mogu da kontrolišu veličinu sfera koja se kreću od 100 do 500 nanometara u prečniku, manipulišući sulfaktantima, rastvorima, koncentracijama i temperaturama tokom proizvodnje. To im omogućava da budu podešene za aplikacije, rekao je Shahsavari.
„Ovo su veoma jednostavni, ali univerzalni gradivni blokovi, sa dve ključne osobine koje poseduju mnogi biomaterijali", rekao je Shahsavari.
„Omogućavaju napredne funkcionalnosti u sintetičkim materijalima. Prethodno su postojali pokušaji da se naprave blokovi od „trombocita“ ili vlakana za kompozite, ali su koristili sfere za stvaranje jakih, čvrstih i prilagodljivih biomimikrijskih materijala.
Istraživači su u testovima koristili dva uobičajena sulfaktanta da bi dobili sfere i komprimovali svoje proizvode u pelete radi testiranja. Saznali su da su peleti na bazi DTAB-a kompaktniji i jači, sa većom elastičnošću, u oknosu na CTAB pelete ili uobičajeni cement. Takođe su pokazali visok električni otpor.
Shahsavari kaže da veličina i oblik čestica imaju značajan uticaj na mehaničke osobine i izdržljivost materijala kao što je beton. „Veoma je korisno imati nešto što možete kontrolisati za razliku od materijala koji je po prirodi „slučajan“", rekao je. „Takođe je moguće mešati sfere različitih prečnika kako bi se popunile praznine između samosagrađenih struktura, što dovodi do veće gustine pakovanja i mehaničkih svojstava i trajnosti."
On je rekao da povećanje jačine cementa omogućava proizvođačima da manje koriste beton, smanjujući ne samo težinu, već i energiju potrebnu za posao koji treba da se uradi a i emituje se manje štetnih gasova koji se oslobađaju u procesu proizvodnje cementa. S obzirom da se sfere kombinuju efikasnije od čvrstih čestica pronađenih u običnom cementu, dobijeni materijal će biti otporniji na oštećenja jona iz vode i drugih zagađivača, a zahtevaće i manje održavanja pa će i zamene biti ređe.
