Svage brintbindinger nøglen til stærke, hård infrastruktur

Den rigtige blanding af hydrogenbindinger i polymer- og cementkompositter er afgørende for at skabe stærke, sejt og duktilt infrastrukturmateriale, ifølge Rice University-forskere, der ønsker at efterligne mekanikken i perlemor og lignende naturlige kompositter med syntetiske materialer.

Muslingeskaller lavet af perlemor, aka Nacre, få deres bemærkelsesværdige egenskaber fra overlappende mikronstørrelser, mineraliserede plader holdt sammen af ​​en blød matrix. Denne struktur kan tilgås af cement- og polymerkompositter, der kan, for eksempel, lave bedre jordskælvsbestandig beton, ifølge Rouzbeh Shahsavari, en adjunkt i civil- og miljøteknik.

Rice-laboratoriet kørte mere end 20 computersimuleringer af, hvordan polymerer og cementmolekyler mødes på nanoskala, og hvad der driver deres adhæsion. Forskerne viste, at nærheden af ​​ilt- og brintatomer er den kritiske faktor i dannelsen af ​​et netværk af svage brintbindinger, der forbinder bløde og hårde lag. Almindelig polyacrylsyre (PAA) viste sig bedst til at binde de overlappende lag af cementkrystaller med et optimalt overlap på omkring 15 nanometer.

"Denne information er vigtig for at lave de bedste syntetiske kompositter, " sagde Shahsavari, som drev projektet sammen med Rice kandidatstuderende Navid Sakhavand. "En moderne ingeniørtilgang til disse materialer vil have stor indflydelse på samfundet, især når vi bygger ny og erstatter aldrende infrastruktur."

Laboratoriets resultater vises i Anvendt fysik bogstaver .

Mens ingeniører forstår, at tilføjelse af polymerer forbedrer cement ved at blokere de skadelige virkninger af "aggressive" ioner, der invaderer dens porer, detaljer om, hvordan materialerne interagerer på molekylær skala, er forblevet ukendte, sagde Shahsavari. At finde ud af, forskerne modellerede kompositter med PAA såvel som polyvinylalkohol (PVA), begge bløde matrixmaterialer, der er blevet brugt til at forbedre cement.

De opdagede, at de to forskellige oxygenatomer i PAA (i modsætning til et i PVA) gjorde det muligt for det at modtage og donere ioner, da det bandt med brint i krystallerne af tobermoritcement. Oxygen i PAA havde otte måder at binde med brint (seks for PVA) og kunne også deltage i saltbro mellem polymeren og cement, hvilket gør bindingsnetværket endnu mere komplekst.

Forskerne testede deres simulerede strukturer ved at skubbe lag af polymer og cement mod hinanden og fandt ud af, at kompleksiteten gjorde det muligt for bindingerne mellem PAA og cement at bryde og genoprette forbindelsen oftere, da materialet blev stresset, hvilket øger dens sejhed markant, evnen til at deformere uden at bryde. Dette gjorde det muligt for forskerne at bestemme det optimale overlap mellem cementkrystaller.

"I modsætning til den almindelige intuition om, at brintbindinger er svage, når det rigtige antal af dem - det optimale overlap - samarbejder, de giver tilstrækkelig forbindelse i kompositten til at give høj styrke og høj sejhed, " sagde Shahsavari. "Fra et eksperimentelt synspunkt, dette kan gøres ved omhyggeligt at indstille og kontrollere tilsætningen af ​​polymererne med den rigtige molekylvægt, mens cementmineraldannelsen kontrolleres. Ja, et nyligt eksperimentelt papir fra vores kolleger viste et proof of concept mod denne strategi."