Partikelstørrelsen har betydning for porøse byggesten

Porøse partikler af calcium og silikat viser potentiale som byggesten til en lang række anvendelser såsom selvhelbredende materialer, knoglevævsteknik, medicin levering, isolering, keramik og byggematerialer, ifølge Rice University ingeniører, der besluttede at se, hvor godt de præsterer på nanoskala.

Efter tidligere arbejde med selvhelbredende materialer ved hjælp af porøse byggeklodser, Rismaterialeforsker Rouzbeh Shahsavari og kandidatstuderende Sung Hoon Hwang lavede en bred vifte af porøse partikler mellem 150 og 550 nanometer i diameter - tusindvis af gange mindre end tykkelsen af ​​et ark papir - med porer omkring bredden af ​​en DNA-streng.

De samlede derefter partiklerne til ark og pellets i mikronstørrelse for at se, hvor godt arrays holdt sig under tryk fra en nanoindenter, som tester et materiales hårdhed.

Resultaterne af mere end 900 tests, rapporteret i denne måned i American Chemical Society's ACS anvendte materialer og grænseflader , viste, at større individuelle nanopartikler var 120 procent sejere end mindre.

Det her, Shahsavari sagde, var et klart bevis på en iboende størrelseseffekt, hvor partikler mellem 300 og 500 nanometer gik fra sprøde til duktile, eller bøjelig, selvom de alle havde de samme små porer, der var 2 til 4 nanometer. Men de var overraskede over at opdage, at når de samme store partikler blev stablet, størrelseseffekten gik ikke helt over til de større strukturer.

De afslørede principper burde være vigtige for videnskabsmænd og ingeniører, der studerer nanopartikler som byggesten i alle former for bottom-up fremstilling.

"Med porøse byggeklodser, kontrollere forbindelsen mellem porøsitet, partikelstørrelse og mekaniske egenskaber er afgørende for systemets integritet til enhver applikation, " sagde Shahsavari. "I dette arbejde, vi fandt, at der er en skør-til-duktil overgang, når partikelstørrelsen øges, mens porestørrelsen holdes konstant.

"Det betyder, at større submikron calcium-silikat-partikler er sejere og mere fleksible sammenlignet med mindre, gør dem mere skadetolerante, " han sagde.

Laboratoriet testede selvmonterede arrays af de bittesmå kugler samt arrays komprimeret under hvad der svarer til 5 tons inde i en cylindrisk presse.

Fire størrelser kugler fik lov til at samle sig selv til film. Da disse blev udsat for nanoindentation, forskerne fandt ud af, at den iboende størrelseseffekt stort set forsvandt, da filmene viste variabel stivhed. Hvor det var tyndt, de svagt bundne partikler gav simpelthen plads til, at indenteren synkede igennem til glassubstratet. Hvor det var tykt, filmen knækkede.

"Vi observerede, at stivheden øges som en funktion af påførte fordybningskræfter, fordi når den maksimale kraft øges, det fører til en større fortætning af partiklerne under belastning, " sagde Shahsavari. "På det tidspunkt, hvor spidsbelastningen er nået, partiklerne er ret tæt pakket og begynder at opføre sig kollektivt som en enkelt film."

Pellets lavet af komprimerede nanosfærer med forskellige diametre deformeret under tryk fra nanoindenteren, men viste ingen tegn på at blive hårdere under tryk, rapporterede de.

"Som et næste skridt, vi er interesserede i at fremstille selvsamlede overbygninger med justerbar partikelstørrelse, der bedre muliggør deres tilsigtede funktionaliteter, som på- og aflæsning med stimulifølsomme tætningsmidler, samtidig med at den tilbyder den bedste mekaniske integritet, " sagde Shahsavari.