Poner orden en desorden es clave para hacer cemento más fuerte y más verde, la pasta que une el concreto.
Los científicos de la Universidad de Rice han descifrado las propiedades cinéticas del cemento y han desarrollado una forma de "programar" las partículas microscópicas semicristalinas del interior. El proceso convierte las partículas de grupos desordenados en cubos, esferas y otras formas reglamentadas que se combinan para hacer que el material sea menosporoso y más duradero.
Su estudio aparece en la Royal Society of Chemistry's Revista de Química de Materiales A .
La técnica puede conducir a estructuras más fuertes que requieren menos concreto, y menos es mejor, dijo el científico de materiales de Rice y autor principal Rouzbeh Shahsavari. La producción mundial de más de 3 mil millones de toneladas de concreto al año ahora emite hasta un 10 por ciento deel dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero, liberado a la atmósfera.
A través de extensos experimentos, Shahsavari y sus colegas decodificaron las reacciones a nanoescala - o "morfogénesis" - de la cristalización dentro del cemento de hidrato de silicato de calcio CSH que mantiene el concreto unido.
Por primera vez, sintetizaron partículas CSH en una variedad de formas, incluidos cubos, prismas rectangulares, dendritas, conchas centrales y romboedros y las mapearon en un diagrama de morfología unificado para fabricantes y constructores que desean diseñar concreto desde abajoarriba.
"Lo llamamos cemento programable", dijo. "El gran avance de este trabajo es que es el primer paso para controlar la cinética del cemento para obtener las formas deseadas. Mostramos cómo se puede controlar la morfología y el tamaño de la basebloques de construcción de CSH para que puedan autoensamblarse en microestructuras con una densidad de empaquetamiento mucho mayor en comparación con las microestructuras CSH amorfas convencionales ".
Dijo que la idea es similar al autoensamblaje de cristales metálicos y polímeros. "Es un área caliente, y los investigadores se están aprovechando de ella", dijo Shahsavari. "Pero cuando se trata de cemento y concreto, es extremadamentedifícil de controlar su ensamblaje ascendente. Nuestro trabajo proporciona la primera receta para una síntesis tan avanzada.
"Las partículas de semillas se forman primero, automáticamente, en nuestras reacciones, y luego dominan el proceso a medida que el resto del material se forma a su alrededor", dijo. "Esa es la belleza. Es un crecimiento in situ, mediado por semillasy no requiere la adición externa de partículas de semillas, como se hace comúnmente en la industria para promover la cristalización y el crecimiento ".
Las técnicas anteriores para crear cristales ordenados en CSH requerían altas temperaturas o presiones, tiempos de reacción prolongados y el uso de precursores orgánicos, pero ninguno era eficiente o benigno para el medio ambiente, dijo Shahsavari.
El laboratorio Rice creó cubos y rectángulos bien formados al agregar pequeñas cantidades de tensioactivos iónicos positivos o negativos y silicato de calcio a CSH y exponer la mezcla al dióxido de carbono y al sonido ultrasónico. Las semillas de cristal se formaron alrededor de las micelas de tensioactivo en 25 minutos.La disminución del silicato de calcio produjo más partículas esféricas y cubos más pequeños, mientras que al aumentarlo se formaron esferas agrupadas y cubos entrelazados.
Una vez que se forman las "semillas" de calcita, activan las moléculas que las rodean para autoensamblarse en cubos, esferas y otras formas que son de órdenes de magnitud más grandes. Estas pueden empaquetarse más firmemente en el concreto que las partículas amorfas, dijo Shahsavari.La modulación de la concentración del precursor, la temperatura y la duración de la reacción varía el rendimiento, el tamaño y la morfología de las partículas finales.
El descubrimiento es un paso importante en la investigación concreta, dijo. Se basa en su trabajo como parte del equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts que decodificó el "ADN" molecular del cemento en 2009. "Actualmente no hay control sobre la forma de CSH".Shahsavari dijo: "El concreto utilizado hoy en día es un coloide amorfo con una porosidad significativa que conlleva una menor resistencia y durabilidad".
El concreto es uno de los focos del laboratorio de arroz de Shahsavari, que ha estudiado tanto su fabricación a macroescala como sus propiedades intrínsecas a nanoescala. Debido a que el concreto es el material de construcción más común del mundo y una fuente importante de dióxido de carbono atmosférico, está convencido de la importancia de desarrollar "más verde "concreto.
La nueva técnica tiene varios beneficios ambientales, dijo Shahsavari. "Uno es que se necesita menos el concreto porque es más fuerte. Esto se debe a un mejor empaquetamiento de las partículas cúbicas, lo que conduce a microestructuras más fuertes. El otro esque será más duradero. Menos porosidad hace que sea más difícil para los químicos no deseados encontrar un camino a través del concreto, por lo que hace un mejor trabajo al proteger el refuerzo de acero en el interior ".
La investigación requirió que el equipo desarrollara un método para evaluar la resistencia de las partículas microscópicas de concreto. Los investigadores utilizaron un nanoindenter con punta de diamante para triturar partículas de cemento individuales con un borde plano.
Programaron el penetrador para pasar de una nanopartícula a la siguiente y aplastarlo y recolectaron datos mecánicos sobre cientos de partículas de varias formas en una sola ejecución. "Otros grupos de investigación han probado cemento y concreto a granel, pero ningún grupo había investigado elmecánica de partículas CSH individuales y el efecto de la forma en la mecánica de partículas individuales ", dijo Shahsavari.
Dijo que las estrategias desarrolladas durante el proyecto podrían tener implicaciones para otras aplicaciones, incluida la ingeniería del tejido óseo, la administración de medicamentos y materiales refractarios, y podrían afectar otros sistemas complejos como la cerámica y los coloides.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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