В работе, опубликованной онлайн в журнале Construction и Building Materials, команда противопоставляет цементную пасту – обязательный компонент бетона – со структурой и свойствами естественных материалов, такими как кости, раковины и глубоководные губки. Как исследователи заметили, эти биологические материалы исключительно сильны и длительны, частично благодаря их точному собранию структур в многократных шкалах расстояний, от молекулярного до макроса, или видимый, уровень.От их наблюдений команда, во главе с Устным Буюкозтерком, преподавателем в Отделе MIT Гражданского строительства и Инженерной защиты окружающей среды (Центральная и Восточная Европа), предложила новый биовдохновленный, «восходящий» подход для проектирования цементной пасты.
«Эти материалы собраны захватывающим способом с простыми элементами, договаривающимися в сложных геометрических конфигурациях, которые красивы, чтобы наблюдать», говорит Буюкозтерк. «Мы хотим видеть, какие виды микромеханизмов существуют в них, которые обеспечивают такие превосходящие свойства, и как мы можем принять подобный основанный на стандартном блоке подход для бетона».В конечном счете команда надеется определить материалы по своей природе, которые могут использоваться в качестве стабильных и дольше длительных альтернатив Портлендскому цементу, который требует огромной суммы энергии произвести.«Если мы можем заменить цемент, частично или полностью, с некоторыми другими материалами, которые могут быть с готовностью и достаточно доступны по своей природе, мы можем достигнуть наших целей для устойчивости», говорит Буюкозтерк.Среди соавторов на бумаге ведущий автор и аспирант Стивен Палькович, аспирант Дитер Броммер, исследователь Кунал Купвад-Патил, доцент Центральной и Восточной Европы Адмир Мэзик, и начальник отдела Маркус Буехлер Центральной и Восточной Европы, профессор McAfee Разработки.
«Слияние теории, вычисление, новый синтез и методы характеристики позволили изменение парадигмы, которое, вероятно, изменит способ, которым мы производим этот повсеместный материал, навсегда», говорит Буехлер. «Это могло привести к более длительным дорогам, мостам, структурам, уменьшить углерод и углеродный след, и даже позволить нам изолировать углекислый газ, поскольку материал сделан. Осуществление нанотехнологий в бетоне является одним сильным примером [как], чтобы расширить силу нанонауки решить великие технические проблемы».
От молекул до мостовСегодняшний бетон – случайное собрание щебня и камней, связанных цементной пастой.
Прочность и длительность бетона зависят частично от ее внутренней структуры и конфигурации пор. Например, чем более пористый материал, тем более уязвимый это к взламыванию.
Однако нет никаких методов, доступных, чтобы точно управлять внутренней структурой бетона и полными свойствами.«Это – главным образом догадки», говорит Буюкозтерк. «Мы хотим изменить культуру и начать управлять материалом в мезомасштабном».Поскольку Буюкозтерк описывает его, «мезомасштабное» представляет связь между структурами микромасштаба и свойствами макромасштаба.
Например, как микроскопическая договоренность цемента затрагивает общую силу и длительность высокого здания или длинного моста? Понимание этой связи помогло бы инженерам определить особенности в различных шкалах расстояний, которые улучшили бы эффективность работы бетона.«Мы имеем дело с молекулами, с одной стороны, и строим структуру, это находится на заказе километров в длине на другом», говорит Буюкозтерк. «Как мы соединяем информацию, которую мы развиваем в очень мелком масштабе к информации в крупном масштабе? Это – загадка».
Строительство от основания,Чтобы начать понимать эту связь, он и его коллеги обратились к биологическим материалам, таким как кость, глубокие морские губки и перламутр (внутренний слой раковины моллюсков), которые были все изучены экстенсивно для их механических и микроскопических свойств. Они просмотрели научную литературу для получения информации о каждом биоматериале и сравнили их структуры и поведение, в нано – микро – и макровесы, с той из цементной пасты.
Они искали связи между структурой материала и ее механическими свойствами. Например, исследователи нашли, что подобная луку структура губки глубокого моря слоев кварца обеспечивает механизм для предотвращения трещин. У перламутра есть расположение «кирпича-и-миномета» полезных ископаемых, которое производит сильную связь между минеральными слоями, делая материал чрезвычайно жестким.«В этом контексте есть широкий спектр многомасштабной характеристики и вычислительных методов моделирования, которые хорошо установлены для изучения сложностей биологических и биоподражательных материалов, которые могут быть легко переведены на цементное сообщество», говорит Мэзик.
Применяя информацию, которую они узнали из исследования биологических материалов, а также знания, которое они собрали на существующих цементных средствах проектирования пасты, команда развивала общую, биовдохновленную структуру или методологию, для инженеров, чтобы проектировать цемент, «с самого начала».Структура – по существу ряд рекомендаций, за которыми могут следовать инженеры, чтобы определить, как определенные добавки или компоненты интереса повлияют на общую прочность и длительность цемента. Например, в связанной линии исследования, Buyukozturk изучает вулканический пепел как цементную добавку или замену.
Чтобы видеть, улучшился ли бы вулканический пепел, цементируют свойства пасты, инженеры, после структуры группы, сначала использовали бы существующие экспериментальные методы, такие как ядерный магнитный резонанс, просматривая электронную микроскопию и дифракцию рентгена, чтобы характеризовать тело вулканического пепла и конфигурации поры со временем.Исследователи могли тогда включить эти измерения в модели, которые моделируют долгосрочную эволюцию бетона, чтобы определить мезомасштабные отношения между, скажем, свойствами вулканического пепла и вклада материала в силу и длительность содержащего пепел бетонного моста. Эти моделирования могут тогда быть утверждены с обычным сжатием и экспериментами наноуглубления, чтобы проверить фактические образцы основанного на вулканическом пепле бетона.
В конечном счете исследователи надеются, что структура поможет инженерам определить компоненты, которые структурированы и развиваются в некотором смысле, подобный биоматериалам, которые могут улучшить работу и долговечность бетона.«Надо надеяться, это приведет нас к своего рода рецепту для более стабильного бетона», говорит Буюкозтерк. «Как правило, зданиям и мостам дают определенную жизнь дизайна. Мы можем расширить ту жизнь дизайна, возможно, дважды или три раза? Это – то, к чему мы стремимся.
Наша структура помещает все это на бумагу, в очень конкретном способе, для инженеров, чтобы использовать».Это исследование было поддержано частично Фондом Кувейта для Продвижения Наук через Центр Кувейта-MIT Природных ресурсов и Окружающей среды, Национального института стандартов и технологий и Национальной лаборатории Аргонна.