Atomplacering af elementer tæller for stærk beton

Selv når man bygger stort, hvert atom betyder noget, ifølge ny forskning om partikelbaserede materialer ved Rice University.

Risforskerne Rouzbeh Shahsavari og Saroosh Jalilvand har offentliggjort en undersøgelse, der viser, hvad der sker på nanoskala, når "strukturelt komplekse" materialer som beton - et tilfældigt virvar af elementer snarere end en ordnet krystal - gnider mod hinanden. De ridser, de efterlader, kan sige meget om deres egenskaber.

Forskerne er de første til at lave sofistikerede beregninger, der viser, hvordan kræfter på atomniveau påvirker de mekaniske egenskaber af et komplekst partikelbaseret materiale. Deres teknikker foreslår nye måder at finjustere kemien af ​​sådanne materialer for at gøre dem mindre tilbøjelige til at revne og mere egnede til specifikke applikationer.

Forskningen vises i tidsskriftet American Chemical Society Anvendte materialer og grænseflader .

Undersøgelsen brugte calcium-silikat-hydrat (C-S-H), aka cement, som et model partikelsystem. Shahsavari blev ganske fortrolig med C-S-H, mens han deltog i konstruktionen af ​​de første modeller i atomare skala af materialet.

C-S-H er limen, der binder de små sten, grus og sand i beton. Selvom det ligner en pasta før hærdning, den består af diskrete partikler i nanoskala. De van der Waals og Coulombiske kræfter, der påvirker interaktionerne mellem C-S-H og de større partikler, er nøglen til materialets samlede styrke og brudegenskaber, sagde Shahsavari. Han besluttede at se nærmere på disse og andre nanoskalamekanismer.

"Klassiske studier af friktion på materialer har eksisteret i århundreder, " sagde han. "Det er kendt, at hvis du gør en overflade ru, friktionen vil stige. Det er en almindelig teknik i industrien til at forhindre glidning:Ru overflader blokerer for hinanden.

"Det vi opdagede er, at ud over de almindelige mekaniske rugøringsteknikker, modulering af overfladekemi, hvilket er mindre intuitivt, kan i væsentlig grad påvirke friktionen og dermed partikelsystemets mekaniske egenskaber."

Shahsavari sagde, at det er en misforståelse, at hovedparten af ​​et enkelt element - f.eks. calcium i C-S-H - styrer direkte de mekaniske egenskaber af et partikelsystem. "Vi fandt ud af, at det, der styrer egenskaberne inde i partiklerne, kunne være helt anderledes end det, der styrer deres overfladeinteraktioner, " sagde han. Mens mere calciumindhold på overfladen ville forbedre friktionen og dermed styrken af ​​samlingen, lavere calciumindhold ville gavne styrken af ​​individuelle partikler.

"Dette kan virke modstridende, men det antyder, at for at opnå optimale mekaniske egenskaber for et partikelsystem, der skal udtænkes nye syntetiske og forarbejdningsbetingelser for at placere elementerne de rigtige steder, " han sagde.

Forskerne fandt også, at bidraget fra naturlig van der Waals-tiltrækning mellem molekyler var langt mere signifikant end coulombiske (elektrostatiske) kræfter i C-S-H. At, også, skyldtes primært calcium, sagde Shahsavari.

For at teste deres teorier, Shahsavari og Jalilvand byggede computermodeller af ru C-S-H og glat tobermorit. De slæbte en virtuel spids af førstnævnte hen over toppen af ​​sidstnævnte, ridse overfladen for at se, hvor hårdt de ville være nødt til at skubbe dens atomer for at fortrænge dem. Deres ridsesimuleringer gjorde det muligt for dem at afkode de involverede nøglekræfter og mekanik såvel som at forudsige tobermorits iboende brudsejhed, tal bekræftet af andres eksperimenter.

Shahsavari sagde, at analyse på atomniveau kunne hjælpe med at forbedre en bred vifte af ikke-krystallinske materialer, herunder keramik, sand, pulvere, korn og kolloider.