Zelfs als je groot bouwt, elk atoom is belangrijk, volgens nieuw onderzoek naar op deeltjes gebaseerde materialen aan de Rice University.

Rijstonderzoekers Rouzbeh Shahsavari en Saroosh Jalilvand hebben een studie gepubliceerd die laat zien wat er op nanoschaal gebeurt wanneer 'structureel complexe' materialen zoals beton - een willekeurige wirwar van elementen in plaats van een geordend kristal - tegen elkaar wrijven. De krassen die ze achterlaten, kunnen veel zeggen over hun eigenschappen.

De onderzoekers zijn de eersten die geavanceerde berekeningen uitvoeren die laten zien hoe krachten op atomair niveau de mechanische eigenschappen van een complex op deeltjes gebaseerd materiaal beïnvloeden. Hun technieken suggereren nieuwe manieren om de chemie van dergelijke materialen te verfijnen om ze minder vatbaar te maken voor scheuren en meer geschikt voor specifieke toepassingen.

Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Toegepaste materialen en interfaces .

De studie gebruikte calcium-silicaat-hydraat (C-S-H), oftewel cement, als een model fijnstofsysteem. Shahsavari raakte redelijk bekend met CSH terwijl hij deelnam aan de constructie van de eerste atomaire schaalmodellen van het materiaal.

C-S-H is de lijm die de kleine stenen bindt, grind en zand in beton. Hoewel het eruitziet als een pasta voordat het hard wordt, het bestaat uit discrete deeltjes op nanoschaal. De van der Waals- en Coulombische krachten die de interacties tussen de CSH en de grotere deeltjes beïnvloeden, zijn de sleutel tot de algehele sterkte en breukeigenschappen van het materiaal. zei Shahsavari. Hij besloot die en andere mechanismen op nanoschaal onder de loep te nemen.

"Klassieke studies van wrijving op materialen bestaan ​​al eeuwen, " zei hij. "Het is bekend dat als je een oppervlak ruw maakt, wrijving zal toenemen. Dat is een veelgebruikte techniek in de industrie om verschuiven te voorkomen:Ruwe oppervlakken blokkeren elkaar.

"Wat we ontdekten is dat, naast de gebruikelijke mechanische opruwtechnieken, modulatie van oppervlaktechemie, wat minder intuïtief is, kan de wrijving en daarmee de mechanische eigenschappen van het fijnstofsysteem aanzienlijk beïnvloeden."

Shahsavari zei dat het een misvatting is dat de bulkhoeveelheid van een enkel element, bijvoorbeeld calcium in CSH regelt direct de mechanische eigenschappen van een deeltjessysteem. "We ontdekten dat wat de eigenschappen in deeltjes regelt, totaal anders kan zijn dan wat hun oppervlakte-interacties regelt, " zei hij. Hoewel meer calcium aan het oppervlak de wrijving en dus de sterkte van de assemblage zou verbeteren, een lager calciumgehalte zou de sterkte van de afzonderlijke deeltjes ten goede komen.

"Dit lijkt misschien tegenstrijdig, maar het suggereert dat om optimale mechanische eigenschappen voor een deeltjessysteem te bereiken, nieuwe synthese- en verwerkingsomstandigheden moeten worden bedacht om de elementen op de juiste plaatsen te plaatsen, " hij zei.

De onderzoekers ontdekten ook dat de bijdrage van natuurlijke van der Waals-aantrekking tussen moleculen veel belangrijker is dan Coulomb (elektrostatische) krachten in CSH. Dat, te, was voornamelijk te wijten aan calcium, zei Shahsavari.

Om hun theorieën te testen, Shahsavari en Jalilvand bouwden computermodellen van ruwe CSH en gladde tobermoriet. Ze sleepten een virtuele punt van de eerste over de bovenkant van de laatste, krassen op het oppervlak om te zien hoe hard ze de atomen zouden moeten duwen om ze te verplaatsen. Dankzij hun krassimulaties konden ze de belangrijkste krachten en mechanica ontcijferen en de inherente breuktaaiheid van tobermoriet voorspellen, cijfers bevestigd door experimenten van anderen.

Shahsavari zei dat analyse op atomair niveau kan helpen bij het verbeteren van een breed scala aan niet-kristallijne materialen, inclusief keramiek, zand, poeders, granen en colloïden.