Onderzoekers van Purdue University die onderzoeken of beton sterker wordt gemaakt door het te infuseren met microscopisch kleine nanokristallen uit hout, verhuizen van het laboratorium naar de echte wereld met een brug die dit voorjaar in Californië zal worden gebouwd.

De onderzoekers hebben gewerkt met nanokristallen van cellulose, bijproducten die door het papier worden gegenereerd, bio-energie, landbouw en pulpindustrieën, om het beste mengsel te vinden om beton te versterken, het meest algemene door de mens gemaakte materiaal ter wereld.

"Gewoon naar buiten gaan waar mensen er echt op kunnen rijden, I denk, is een enorme stap, want je kunt op dat moment niet zeggen dat het een curiositeit in het lab is. Het heeft implicaties voor de echte wereld, " zei Jeffrey Youngblood, een Purdue hoogleraar materiaalkunde.

Het versterken van beton kan andere gevolgen hebben, zoals het dunner en lichter maken van items gemaakt van beton met behoud van dezelfde sterkte met als mogelijk nevenvoordeel dat er minder kooldioxide in de atmosfeer vrijkomt. Cementfabrieken zijn verantwoordelijk voor naar schatting 8 procent van de wereldwijde uitstoot van kooldioxide, een belangrijke oorzaak van klimaatverandering.

De katalysator voor deze potentieel transformerende verandering is een nanokristal van cellulose van ongeveer 100 nanometer lang en 5 nanometer breed, te klein om met een gewone microscoop te zien. Het is alleen te zien met een elektronenmicroscoop. Voor perspectief, een mensenhaar is ongeveer 100, 000 nanometer breed. Toch is cellulose het meest voorkomende polymeer ter wereld omdat het kan worden verkregen uit houtproducten, planten, bacteriën en algen.

De cellulose nanokristallen maken het beton sterker door een chemische reactie die de hydratatie van de cementdeeltjes verhoogt, het beton sterker maken, zeggen de onderzoekers. "De sterkte van betonnen schalen met de mate van hydratatie. Dus hoe meer gehydrateerd het is, hoe sterker het is, ' zei Youngblood. 'Dus je zou denken dat als je meer water toevoegt, het sterker zou zijn. Het probleem is, water voegt poriën toe die het zwakker maken. Maar cellulose-nanokristallen verbeteren de hydratatie met minder water, het beton sterker maken."

Pablo Zavattieri, een professor aan de Lyles School of Civil Engineering, zei dat de cellulose-nanokristallen een weg bieden voor het water om te gaan waar het nodig is. Niet alle cementdeeltjes worden gehydrateerd wanneer beton wordt gemengd, wat de sterkte en duurzaamheid van het beton belemmert.

"Het goede aan nanokristallen van cellulose is dat het een soort rail creëert voor het water om in een deeltje te gaan, zei Zavattieri.

Jason Weiss, de Miles Lowell en Margaret Watt Edwards Distinguished Chair in Engineering aan de Oregon State University, die eerder professor was aan Purdue, zei dat de cellulose-nanokristallen beton efficiënter maken omdat er minder massa nodig is om iets te maken dat even sterk is.

"Dus het kan duurzamer en efficiënter, " hij zei.

Youngblood zei dat een ander voordeel is dat het met cellulose doordrenkte beton sneller hardt, dat betekent minder wachten op het uitharden van beton bij het gebruik van vormen om bruggen te maken of voor olieboringen.

"Omdat elke dag dat er een bemanning is die geen olie pompt, een dag is om geld te verliezen, " zei Youngblood. Cementmonsters

De onderzoekers zeggen dat de kosten van het gebruik van de cellulose-nanokristallen kunnen worden gecompenseerd door minder cement te kunnen gebruiken, maar de exacte kosten zijn niet vastgesteld. Ze zeggen dat de mate waarin cellulose-nanokristallen worden gebruikt een factor zal zijn. Maar zelfs als slechts een klein percentage van al het geproduceerde beton de nanokristallen van cellulose zou gebruiken, het zou een grote impact hebben alleen omdat het gebruik van beton zo alomtegenwoordig is.

De onderzoekers zeggen dat het werk bij het opschalen naar beton en het voorbereiden van de brug in Californië een samenwerking is tussen Purdue, Staatsuniversiteit van Oregon, P3Nano en anderen. P3Nano is een publiek-private samenwerking die is ontworpen om de commercialisering van cellulose-nanomateriaal te ondersteunen. P3Nano is actief betrokken geweest bij de grootschalige proeven en is de sponsor van het project aan de Oregon State University om grootschalige toepassingen van cellulose-nanokristallen in bruggen en platte platen te demonstreren. De exacte brug in Californië waar het met cellulose doordrenkte beton zal worden gebruikt, is nog niet bepaald.

De Purdue-onderzoekers begonnen tien jaar geleden met het onderzoeken van cellulose in samenwerking met Robert Moon, een onderzoeker van het US Forest Service Forest Products Laboratory, die destijds in Purdue was gestationeerd. Staatsbosbeheer zocht naar toepassingen voor zieke, beschadigde en kleine logboeken, die in de bossen volop voorkomen.

Nieuwe generatie, die voornamelijk met kunststoffen werkt, zei dat de uitdaging aanvankelijk was om te bepalen waar de in water oplosbare nanokristallen van cellulose zouden kunnen worden gebruikt. Het idee om het in beton te gebruiken kwam bij hem op tijdens het graven van een paalgat en het voorbereiden van beton. Daar begon het onderzoek.

Youngblood zei dat de onderzoekers snel ontdekten dat de nanokristallen van cellulose het beton sterker maakten, maar ze wisten niet waarom.

"Ik liep naar het kantoor van Jason Weiss en liet hem de gegevens zien en hij zei dat het niet zou moeten werken omdat de cellulose-nanokristallen te klein zijn. Toen realiseerden we ons dat we iets hadden, want als iets gebaseerd is op hoe dingen normaal werken, gebaseerd op theorieën of wat dan ook, zou niet moeten werken en het werkt dan heb je meestal iets belangrijks gevonden, ' zei Youngblood. 'Zo is het allemaal begonnen.'

Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de National Science Foundation. Weiss zei dat NSF-werk leidde tot pasta's die werden getest en die onderzoekers hielpen te begrijpen dat nanokristallen van cellulose zich niet gedragen als conventionele vezels, maar eerder de microstructuur veranderen.

Blaine Kunkel, CEO van Nano-Green Biorefineries Inc., die een licentieovereenkomst heeft met het Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization om de technologie te commercialiseren, zei dat het bedrijf enthousiast is over het potentieel van nanokristallen van cellulose.

"We zien dit als transformationele technologie, " hij zei.