Wetenschappers van de Rice University hebben calciumsilicaatbolletjes ter grootte van een micrometer ontwikkeld die kunnen leiden tot sterker en groener beton. 's werelds meest gebruikte synthetische materiaal.

Aan Rice-materiaalwetenschapper Rouzbeh Shahsavari en afgestudeerde student Sung Hoon Hwang, de bollen vertegenwoordigen bouwstenen die tegen lage kosten kunnen worden gemaakt en beloven de energie-intensieve technieken die nu worden gebruikt om cement te maken, te verminderen, het meest voorkomende bindmiddel in beton.

De onderzoekers vormden de bollen in een oplossing rond zaden op nanoschaal van een gewone wasmiddelachtige oppervlakteactieve stof. De bollen kunnen worden gevraagd om zichzelf te assembleren tot vaste stoffen die sterker zijn, moeilijker, elastischer en duurzamer dan het alomtegenwoordige Portlandcement.

"Cement heeft niet de mooiste structuur, " zei Shahsavari, een assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering. "Cementdeeltjes zijn amorf en ongeorganiseerd, wat het een beetje kwetsbaar maakt voor scheuren. Maar met dit materiaal we weten wat onze limieten zijn en we kunnen polymeren of andere materialen tussen de bollen kanaliseren om de structuur van onder naar boven te controleren en nauwkeuriger te voorspellen hoe deze kan breken."

Hij zei dat de bollen geschikt zijn voor botweefsel-engineering, isolatie, keramische en composiettoepassingen, evenals cement.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Langmuir .

Het werk bouwt voort op een project van Shahsavari en Hwang uit 2017 om zelfherstellende materialen te ontwikkelen met poreuze, microscopisch kleine calciumsilicaatbolletjes. Het nieuwe materiaal is niet poreus, als een vaste calciumsilicaatschil omringt het zaad van de oppervlakteactieve stof.

Maar net als bij het eerdere project, het werd geïnspireerd door hoe de natuur raakvlakken tussen ongelijke materialen coördineert, vooral in parelmoer (ook bekend als parelmoer), het materiaal van schelpen. De kracht van Nacre is het resultaat van afwisselend stijve anorganische en zachte organische bloedplaatjes. Omdat de bollen die structuur nabootsen, ze worden als biomimetisch beschouwd.

De onderzoekers ontdekten dat ze de grootte van de bollen met een diameter van 100 tot 500 nanometer konden regelen door oppervlakteactieve stoffen te manipuleren, oplossingen, concentraties en temperaturen tijdens de fabricage. Daardoor kunnen ze worden afgestemd op toepassingen, zei Shahsavari.

"Dit zijn heel eenvoudige maar universele bouwstenen, twee belangrijke eigenschappen van veel biomaterialen, " zei Shahsavari. "Ze maken geavanceerde functionaliteiten in synthetische materialen mogelijk. Eerder, er waren pogingen om plaatjes of vezelbouwstenen te maken voor composieten, maar dit werk gebruikt bollen om sterke, sterke en aanpasbare biomimetische materialen.

"Sferen zijn belangrijk omdat ze veel gemakkelijker te synthetiseren zijn, zelf-assembleren en opschalen vanuit het oogpunt van chemie en grootschalige productie."

Bij testen, de onderzoekers gebruikten twee veel voorkomende oppervlakteactieve stoffen om bollen te maken en comprimeerden hun producten tot pellets om te testen. Ze leerden dat op DTAB gebaseerde pellets het beste verdichten en taaier waren, met een hogere elasticiteitsmodulus, dan CTAB-pellets of gewoon cement. Ze vertoonden ook een hoge elektrische weerstand.

Shahsavari zei dat de grootte en vorm van deeltjes in het algemeen een significant effect hebben op de mechanische eigenschappen en duurzaamheid van bulkmaterialen zoals beton. "Het is heel nuttig om iets te hebben dat je kunt controleren, in tegenstelling tot een materiaal dat willekeurig van aard is, "zei hij. "Verder, men kan bollen met verschillende diameters mengen om de openingen tussen de zelf-geassembleerde structuren te vullen, wat leidt tot hogere pakkingsdichtheden en dus mechanische en duurzaamheidseigenschappen."

Hij zei dat het verhogen van de sterkte van cement fabrikanten in staat stelt minder beton te gebruiken, het verminderen van niet alleen het gewicht, maar ook de energie die nodig is om het te maken en de koolstofemissies die gepaard gaan met de productie van cement. Omdat bollen efficiënter inpakken dan de rafelige deeltjes in gewoon cement, het resulterende materiaal zal beter bestand zijn tegen schadelijke ionen van water en andere verontreinigingen en zou minder onderhoud en minder frequente vervanging moeten vereisen.