De juiste mix van waterstofbruggen in polymeer- en cementcomposieten is van cruciaal belang voor het maken van sterke, taai en taai infrastructuurmateriaal, volgens wetenschappers van Rice University die de mechanica van parelmoer en soortgelijke natuurlijke composieten willen nabootsen met synthetische materialen.

Schelpen van parelmoer, oftewel parelmoer, krijgen hun opmerkelijke eigenschappen van overlappende micron-sized, gemineraliseerde platen bij elkaar gehouden door een zachte matrix. Deze structuur kan worden benaderd door cement- en polymeercomposieten die, bijvoorbeeld, beter aardbevingsbestendig beton maken, volgens Rouzbeh Shahsavari, een assistent-professor civiele en milieutechniek.

Het Rice-lab heeft meer dan 20 computersimulaties uitgevoerd van hoe polymeren en cementmoleculen op nanoschaal samenkomen en wat hun hechting stimuleert. De onderzoekers toonden aan dat de nabijheid van zuurstof- en waterstofatomen de kritische factor is bij het vormen van een netwerk van zwakke waterstofbruggen dat zachte en harde lagen met elkaar verbindt. Gemeenschappelijk polyacrylzuur (PAA) bleek het beste in het binden van de overlappende lagen cementkristallen met een optimale overlap van ongeveer 15 nanometer.

"Deze informatie is belangrijk om de beste synthetische composieten te maken, " zei Shahsavari, die het project leidde met Rice afgestudeerde student Navid Sakhavand. "Een moderne technische benadering van deze materialen zal een grote impact hebben op de samenleving, vooral omdat we nieuwe en verouderde infrastructuur bouwen."

De resultaten van het lab verschijnen in Technische Natuurkunde Brieven .

Terwijl ingenieurs begrijpen dat het toevoegen van polymeren cement verbetert door de schadelijke effecten van "agressieve" ionen die de poriën binnendringen te blokkeren, details over hoe de materialen op moleculaire schaal op elkaar inwerken, zijn onbekend gebleven, zei Shahsavari. Er achter komen, de onderzoekers modelleerden composieten met zowel PAA als polyvinylalcohol (PVA), beide zachte matrixmaterialen die zijn gebruikt om cement te verbeteren.

Ze ontdekten dat de twee verschillende zuurstofatomen in PAA (in tegenstelling tot één in PVA) ervoor zorgden dat het ionen kon ontvangen en doneren terwijl het zich bond met waterstof in de kristallen van tobermorietcement. Zuurstof in PAA had acht manieren om te binden met waterstof (zes voor PVA) en zou ook kunnen deelnemen aan zoutbruggen tussen het polymeer en cement, wat het bonding-netwerk nog complexer maakt.

De onderzoekers testten hun gesimuleerde structuren door lagen van polymeer en cement tegen elkaar aan te schuiven en ontdekten dat de complexiteit ervoor zorgde dat de bindingen tussen PAA en cement vaker verbroken en opnieuw verbonden werden naarmate het materiaal werd belast. wat de taaiheid aanzienlijk verhoogt, het vermogen om te vervormen zonder te breken. Hierdoor konden de onderzoekers de optimale overlap tussen cementkristallen bepalen.

"In tegenstelling tot de algemene intuïtie dat waterstofbruggen zwak zijn, wanneer het juiste aantal - de optimale overlap - samenwerken, ze bieden voldoende connectiviteit in de composiet om hoge sterkte en hoge taaiheid te verlenen, " zei Shahsavari. "Vanuit een experimenteel standpunt, dit kan worden gedaan door de toevoeging van de polymeren met het juiste molecuulgewicht zorgvuldig af te stemmen en te controleren en tegelijkertijd de vorming van cementmineralen te beheersen. Inderdaad, een recent experimenteel artikel van onze collega's toonde een proof of concept voor deze strategie."