Elektrificerende cement med nanocarbon black

Siden opfindelsen for flere årtusinder siden, beton er blevet medvirkende til civilisationens fremskridt, finder anvendelse i utallige byggeanvendelser - fra broer til bygninger. Og stadigvæk, trods århundreders innovation, dens funktion er forblevet primært strukturel.

En flerårig indsats fra MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) forskere, i samarbejde med det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS), har haft til formål at ændre det. Deres samarbejde lover at gøre beton mere bæredygtig ved at tilføje nye funktionaliteter – nemlig, elektronledningsevne. Elektronledningsevne ville tillade brugen af ​​beton til en række nye anvendelser, lige fra selvopvarmning til energilagring.

Deres tilgang er afhængig af den kontrollerede introduktion af stærkt ledende nanocarbonmaterialer i cementblandingen. I et papir i Physical Review Materials, de validerer denne tilgang, mens de præsenterer de parametre, der dikterer materialets ledningsevne.

Nancy Soliman, avisens hovedforfatter og en postdoc ved MIT CSHub, mener, at denne forskning har potentialet til at tilføje en helt ny dimension til det, der allerede er et populært byggemateriale.

"Dette er en førsteordens model af den ledende cement, " forklarer hun. "Og det vil bringe [den viden], der er nødvendig for at tilskynde til opskalering af denne slags [multifunktionelle] materialer."

Fra nanoskala til state-of-the-art

I løbet af de sidste mange årtier, nanocarbonmaterialer har spredt sig på grund af deres unikke kombination af egenskaber, den vigtigste blandt dem ledningsevne. Forskere og ingeniører har tidligere foreslået udvikling af materialer, der kan give ledningsevne til cement og beton, hvis de er inkorporeret indeni.

Til dette nye arbejde, Soliman ønskede at sikre, at det nanocarbonmateriale, de valgte, var overkommeligt nok til at blive produceret i skala. Hun og hendes kolleger slog sig ned på nanocarbon black - et billigt kulstofmateriale med fremragende ledningsevne. De fandt ud af, at deres forudsigelser om ledningsevne blev bekræftet.

"Beton er naturligvis et isolerende materiale, " siger Soliman, "Men når vi tilføjer nanokulsorte partikler, det går fra at være en isolator til et ledende materiale."

Ved at inkorporere nanocarbon black på kun 4 procent volumen af ​​deres blandinger, Soliman og hendes kolleger fandt ud af, at de kunne nå nedsivningstærsklen, det punkt, hvor deres prøver kunne bære en strøm.

De bemærkede, at denne strøm også havde et interessant resultat:Den kunne generere varme. Dette skyldes det, der er kendt som Joule-effekten.

"Joule-opvarmning (eller resistiv opvarmning) er forårsaget af interaktioner mellem de bevægelige elektroner og atomer i lederen, forklarer Nicolas Chanut, en medforfatter på papiret og en postdoc ved MIT CSHub. "De accelererede elektroner i det elektriske felt udveksler kinetisk energi, hver gang de kolliderer med et atom, inducering af vibrationer af atomerne i gitteret, som viser sig som varme og en temperaturstigning i materialet."

I deres eksperimenter, de fandt ud af, at selv en lille spænding - så lav som 5 volt - kunne øge overfladetemperaturerne på deres prøver (ca. 5 cm ³ i størrelse) op til 41 grader Celsius (omkring 100 grader Fahrenheit). Mens en standardvandvarmer kan nå sammenlignelige temperaturer, det er vigtigt at overveje, hvordan dette materiale ville blive implementeret i forhold til konventionelle opvarmningsstrategier.

"Denne teknologi kunne være ideel til strålevarme indendørs gulvvarme, " forklarer Chanut. "Normalt, indendørs strålevarme sker ved at cirkulere opvarmet vand i rør, der løber under gulvet. Men dette system kan være udfordrende at konstruere og vedligeholde. Når selve cementen bliver et varmeelement, imidlertid, varmesystemet bliver enklere at installere og mere pålideligt. Derudover cementen giver en mere homogen varmefordeling på grund af den meget gode spredning af nanopartiklerne i materialet."

Nanocarboncement kan have forskellige anvendelser udendørs, såvel. Chanut og Soliman mener, at hvis de implementeres i betonbelægninger, nanocarboncement kan mindske holdbarheden, bæredygtighed, og sikkerhedshensyn. Mange af disse bekymringer stammer fra brugen af ​​salt til afisning.

"I Nordamerika, vi ser masser af sne. For at fjerne denne sne fra vores veje kræver det brug af afisningssalte, som kan beskadige betonen, og forurener grundvandet, " bemærker Soliman. De tunge lastbiler, der bruges til at salte veje, er også både tunge emittere og dyre i drift.

Ved at muliggøre strålevarme i fortove, nanocarboncement kunne bruges til at afise fortove uden vejsalt, potentielt spare millioner af dollars i reparations- og driftsomkostninger, samtidig med at sikkerheds- og miljøproblemer afhjælpes. I visse applikationer, hvor det er altafgørende at opretholde ekstraordinære belægningsforhold - såsom lufthavnsbaner - kan denne teknologi vise sig at være særlig fordelagtig.

Sammenfiltrede ledninger

Mens denne avancerede cement tilbyder elegante løsninger på en række problemer, at opnå multifunktionalitet gav en række tekniske udfordringer. For eksempel, uden en måde at justere nanopartiklerne ind i et fungerende kredsløb - kendt som volumetriske ledninger - i cementen, deres ledningsevne ville være umulig at udnytte. For at sikre en ideel volumetrisk ledning, forskere undersøgte en egenskab kendt som tortuosity.

"Tortuosity er et begreb, vi introducerede analogt fra diffusionsfeltet, " forklarer Franz-Josef Ulm, en leder og medforfatter på papiret, en professor i MIT Department of Civil and Environmental Engineering, og fakultetsrådgiveren på CSHub. "I fortiden, den har beskrevet, hvordan ioner flyder. I dette arbejde, vi bruger det til at beskrive strømmen af ​​elektroner gennem den volumetriske ledning."

Ulm forklarer snirklethed med eksemplet med en bil, der kører mellem to punkter i en by. Mens afstanden mellem disse to punkter i luftlinje kan være to miles, den faktiske kørte distance kunne være større på grund af gadernes kredsløb.

Det samme gælder for elektronerne, der bevæger sig gennem cement. Den vej, de skal tage inden for prøven, er altid længere end længden af ​​selve prøven. Den grad, i hvilken den vej er længere, er snoetheden.

At opnå den optimale snirkler betyder at balancere mængden og spredningen af ​​kulstof. Hvis kulstoffet er for stærkt spredt, de volumetriske ledninger bliver sparsomme, fører til høj kronglete. Tilsvarende uden nok kulstof i prøven, snoetheden vil være for stor til at danne en direkte, effektiv ledningsføring med høj ledningsevne.

Selv tilsætning af store mængder kulstof kan vise sig at virke kontraproduktivt. På et vist tidspunkt vil ledningsevnen holde op med at forbedres, og i teorien, vil kun øge omkostningerne, hvis de implementeres i stor skala. Som et resultat af disse forviklinger, de søgte at optimere deres blandinger.

"Vi fandt ud af, at ved at finjustere mængden af ​​kulstof kan vi nå en kronglete værdi på 2, " siger Ulm. "Det betyder, at den vej, elektronerne tager, kun er dobbelt så lang som prøven."

At kvantificere sådanne egenskaber var afgørende for Ulm og hans kolleger. Målet med deres seneste papir var ikke kun at bevise, at multifunktionel cement var mulig, men at det også var levedygtigt til masseproduktion.

"Nøglepunktet er, at for at en ingeniør kan samle ting op, de har brug for en kvantitativ model, " forklarer Ulm. "Før du blander materialer sammen, du ønsker at kunne forvente visse gentagelige egenskaber. Det er præcis, hvad dette papir skitserer; det adskiller det, der skyldes randbetingelser - [ydre] miljøforhold - fra det, der i virkeligheden skyldes de grundlæggende mekanismer i materialet."

Ved at isolere og kvantificere disse mekanismer, Soliman, Chanut, og Ulm håber at give ingeniører præcis, hvad de har brug for for at implementere multifunktionel cement i bredere skala. Den vej, de har udstukket, er lovende – og, takket være deres arbejde, burde ikke vise sig at være for indviklet.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.