Sinds de uitvinding enkele millennia geleden, beton is instrumenteel geworden voor de vooruitgang van de beschaving, vinden toepassing in talloze bouwtoepassingen - van bruggen tot gebouwen. En toch, ondanks eeuwenlange innovatie, zijn functie is vooral structureel gebleven.

Een meerjarige inspanning van onderzoekers van de MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), in samenwerking met het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), heeft getracht daar verandering in te brengen. Hun samenwerking belooft beton duurzamer te maken door nieuwe functionaliteiten toe te voegen, namelijk elektronen geleidbaarheid. Elektronengeleiding zou het gebruik van beton voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen mogelijk maken, variërend van zelfopwarming tot energieopslag.

Hun aanpak is gebaseerd op de gecontroleerde introductie van sterk geleidende nanokoolstofmaterialen in het cementmengsel. In een paper in Physical Review Materials, ze valideren deze aanpak terwijl ze de parameters presenteren die de geleidbaarheid van het materiaal dicteren.

Nancy Soliman, de hoofdauteur van de paper en een postdoc aan de MIT CSHub, is van mening dat dit onderzoek de potentie heeft om een ​​geheel nieuwe dimensie toe te voegen aan wat al een populair bouwmateriaal is.

"Dit is een eerste-ordemodel van het geleidende cement, " legt ze uit. "En het zal [de kennis] brengen die nodig is om de opschaling van dit soort [multifunctionele] materialen aan te moedigen."

Van nanoschaal tot state-of-the-art

In de afgelopen decennia is nanokoolstofmaterialen hebben zich vermenigvuldigd vanwege hun unieke combinatie van eigenschappen, belangrijkste onder hen geleidbaarheid. Wetenschappers en ingenieurs hebben eerder de ontwikkeling voorgesteld van materialen die geleidbaarheid kunnen geven aan cement en beton als ze erin worden verwerkt.

Voor dit nieuwe werk Soliman wilde ervoor zorgen dat het nanokoolstofmateriaal dat ze selecteerden betaalbaar genoeg was om op grote schaal te worden geproduceerd. Zij en haar collega's kozen voor nanokoolstofzwart - een goedkoop koolstofmateriaal met uitstekende geleidbaarheid. Ze ontdekten dat hun voorspellingen van geleidbaarheid werden bevestigd.

"Beton is van nature een isolerend materiaal, " zegt Solman, "Maar als we nanokoolstofzwartdeeltjes toevoegen, het verandert van een isolator naar een geleidend materiaal."

Door nanokoolstofzwart op te nemen in slechts een volume van 4 procent van hun mengsels, Soliman en haar collega's ontdekten dat ze de percolatiedrempel konden bereiken, het punt waarop hun monsters een stroom zouden kunnen voeren.

Ze merkten dat deze stroom ook een interessant gevolg had:hij kon warmte genereren. Dit komt door het zogenaamde Joule-effect.

"Joule-verwarming (of resistieve verwarming) wordt veroorzaakt door interacties tussen de bewegende elektronen en atomen in de geleider, legt Nicolas Chanut uit, een co-auteur op het papier en een postdoc bij MIT CSHub. "De versnelde elektronen in het elektrische veld wisselen kinetische energie uit elke keer dat ze botsen met een atoom, het induceren van trillingen van de atomen in het rooster, die zich manifesteert als warmte en een stijging van de temperatuur in het materiaal."

In hun experimenten, ze ontdekten dat zelfs een kleine spanning - zo laag als 5 volt - de oppervlaktetemperaturen van hun monsters kon verhogen (ongeveer 5 cm ³ in grootte) tot 41 graden Celsius (ongeveer 100 graden Fahrenheit). Hoewel een standaard boiler vergelijkbare temperaturen kan bereiken, het is belangrijk om te overwegen hoe dit materiaal zou worden geïmplementeerd in vergelijking met conventionele verwarmingsstrategieën.

"Deze technologie zou ideaal kunnen zijn voor vloerverwarming binnenshuis, " legt Chanut uit. "Meestal, stralingsverwarming binnenshuis wordt gedaan door verwarmd water te laten circuleren in leidingen die onder de vloer lopen. Maar dit systeem kan een uitdaging zijn om te bouwen en te onderhouden. Wanneer het cement zelf een verwarmingselement wordt, echter, het verwarmingssysteem wordt eenvoudiger te installeren en betrouwbaarder. Aanvullend, het cement biedt een meer homogene warmteverdeling door de zeer goede dispersie van de nanodeeltjes in het materiaal."

Nanokoolstofcement kan buiten verschillende toepassingen hebben, ook. Chanut en Soliman zijn van mening dat, indien geïmplementeerd in betonverhardingen, nanokoolstofcement kan de duurzaamheid verminderen, duurzaamheid, en veiligheidsproblemen. Veel van die zorgen komen voort uit het gebruik van zout voor ontdooien.

"In Noord-Amerika, we zien veel sneeuw. Om deze sneeuw van onze wegen te verwijderen is het gebruik van dooizout nodig, die het beton kunnen beschadigen, en het grondwater vervuilen, " merkt Soliman op. De zware vrachtwagens die worden gebruikt om wegen te bestrooien, zijn ook zware uitstoot en duur in het gebruik.

Door stralingsverwarming in trottoirs mogelijk te maken, nanokoolstofcement kan worden gebruikt om trottoirs te ontdooien zonder strooizout, mogelijk een besparing van miljoenen dollars aan reparatie- en operationele kosten, terwijl veiligheids- en milieuproblemen worden verholpen. In bepaalde toepassingen waar het handhaven van uitzonderlijke bestratingsomstandigheden van het grootste belang is, zoals start- en landingsbanen op luchthavens, kan deze technologie bijzonder voordelig zijn.

verwarde draden

Hoewel dit ultramoderne cement elegante oplossingen biedt voor tal van problemen, het bereiken van multifunctionaliteit bracht een verscheidenheid aan technische uitdagingen met zich mee. Bijvoorbeeld, zonder een manier om de nanodeeltjes uit te lijnen in een functionerend circuit - bekend als de volumetrische bedrading - in het cement, hun geleidbaarheid zou onmogelijk te exploiteren zijn. Om een ​​ideale volumetrische bedrading te verzekeren, onderzoekers onderzochten een eigenschap die bekend staat als kronkeligheid.

"Tortuositeit is een concept dat we naar analogie hebben geïntroduceerd op het gebied van diffusie, " legt Franz-Josef Ulm uit, een leider en co-auteur op het papier, een professor in het MIT Department of Civil and Environmental Engineering, en de faculteitsadviseur bij CSHub. "Vroeger, het heeft beschreven hoe ionen stromen. In dit werk, we gebruiken het om de stroom van elektronen door de volumetrische draad te beschrijven."

Ulm legt kronkeligheid uit met het voorbeeld van een auto die tussen twee punten in een stad rijdt. Hoewel de afstand tussen die twee punten hemelsbreed misschien wel twee mijl is, de daadwerkelijk gereden afstand zou groter kunnen zijn vanwege het circuit van de straten.

Hetzelfde geldt voor de elektronen die door cement reizen. Het pad dat ze moeten afleggen binnen het monster is altijd langer dan de lengte van het monster zelf. De mate waarin dat pad langer is, is de kronkeligheid.

Het bereiken van de optimale kronkeligheid betekent het balanceren van de hoeveelheid en dispersie van koolstof. Als de koolstof te sterk verspreid is, de volumetrische bedrading zal schaars worden, leidt tot hoge kronkeligheid. evenzo, zonder voldoende koolstof in het monster, de kronkeligheid zal te groot zijn om een ​​directe, efficiënte bedrading met hoge geleidbaarheid.

Zelfs het toevoegen van grote hoeveelheden koolstof kan contraproductief zijn. Op een gegeven moment zal de geleidbaarheid niet meer verbeteren en, in theorie, zou alleen de kosten verhogen als het op grote schaal wordt geïmplementeerd. Als gevolg van deze fijne kneepjes, ze probeerden hun mixen te optimaliseren.

"We ontdekten dat we door het volume koolstof te verfijnen, een kronkeligheidswaarde van 2 kunnen bereiken, "zegt Ulm. "Dit betekent dat het pad dat de elektronen afleggen slechts twee keer zo lang is als het monster."

Het kwantificeren van dergelijke eigenschappen was van vitaal belang voor Ulm en zijn collega's. Het doel van hun recente paper was niet alleen om te bewijzen dat multifunctioneel cement mogelijk was, maar dat het ook levensvatbaar was voor massaproductie.

"Het belangrijkste punt is dat als een ingenieur dingen wil oppikken, ze hebben een kwantitatief model nodig, " legt Ulm uit. "Voordat je materialen met elkaar mengt, je wilt bepaalde herhaalbare eigenschappen kunnen verwachten. Dat is precies wat dit document schetst; het scheidt wat te wijten is aan randvoorwaarden - [externe] omgevingscondities - van echt wat te wijten is aan de fundamentele mechanismen in het materiaal."

Door deze mechanismen te isoleren en te kwantificeren, Soliman, Chanut, en Ulm hopen ingenieurs te voorzien van precies wat ze nodig hebben om multifunctioneel cement op een bredere schaal te implementeren. Het pad dat ze hebben uitgestippeld is veelbelovend - en, dankzij hun werk, mag niet te kronkelig blijken te zijn.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.