Los investigadores del MIT buscan rediseñar el concreto, el material hecho por el hombre más utilizado en el mundo, siguiendo los planos de la naturaleza.
en un artículo publicado en línea en la revista Construcción y materiales de construcción , el equipo contrasta la pasta de cemento, ingrediente aglutinante del concreto, con la estructura y las propiedades de materiales naturales como huesos, conchas y esponjas de aguas profundas. Como observaron los investigadores, estos materiales biológicos son excepcionalmente fuertes y duraderos, graciasen parte a su ensamblaje preciso de estructuras en escalas de longitud múltiple, desde el nivel molecular hasta el macro o visible.
A partir de sus observaciones, el equipo, dirigido por Oral Buyukozturk, profesor del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental CEE del MIT, propuso un nuevo enfoque bioinspirado, "de abajo hacia arriba" para diseñar pasta de cemento.
"Estos materiales se ensamblan de una manera fascinante, con componentes simples dispuestos en configuraciones geométricas complejas que son hermosas de observar", dice Buyukozturk. "Queremos ver qué tipos de micromecanismos existen dentro de ellos que proporcionan propiedades tan superiores y cómopodemos adoptar un enfoque similar basado en bloques de construcción para el concreto "
En última instancia, el equipo espera identificar materiales en la naturaleza que puedan usarse como alternativas sostenibles y duraderas al cemento Portland, que requiere una gran cantidad de energía para fabricar.
"Si podemos reemplazar el cemento, parcial o totalmente, con algunos otros materiales que pueden estar fácilmente disponibles en la naturaleza, podemos cumplir nuestros objetivos de sostenibilidad", dice Buyukozturk.
Los coautores del documento incluyen al autor principal y estudiante graduado Steven Palkovic, el estudiante graduado Dieter Brommer, el científico investigador Kunal Kupwade-Patil, el profesor asistente de CEE Admir Masic y el jefe del departamento de CEE Markus Buehler, el profesor de ingeniería de McAfee.
"La fusión de la teoría, la computación, la nueva síntesis y los métodos de caracterización han permitido un cambio de paradigma que probablemente cambiará la forma en que producimos este material omnipresente, para siempre", dice Buehler. "Podría conducir a caminos más duraderos, puentes,estructuras, reducir la huella de carbono y energía, e incluso permitirnos secuestrar dióxido de carbono a medida que se hace el material. La implementación de la nanotecnología en el concreto es un poderoso ejemplo [de cómo] aumentar el poder de la nanociencia para resolver grandes desafíos de ingeniería ".
De moléculas a puentes
El concreto de hoy es un conjunto aleatorio de rocas y piedras trituradas, unidas por una pasta de cemento. La resistencia y durabilidad del concreto depende en parte de su estructura interna y configuración de poros. Por ejemplo, cuanto más poroso es el material, más vulnerable esSin embargo, no hay técnicas disponibles para controlar con precisión la estructura interna y las propiedades generales del concreto.
"En su mayoría son conjeturas", dice Buyukozturk. "Queremos cambiar la cultura y comenzar a controlar el material a la mesoescala".
Como lo describe Buyukozturk, la "mesoescala" representa la conexión entre las estructuras de microescala y las propiedades de macroescala. Por ejemplo, ¿cómo afecta la disposición microscópica del cemento a la resistencia y durabilidad general de un edificio alto o un puente largo? Entender esta conexión ayudaría a los ingenierosidentifique características en varias escalas de longitud que mejorarían el rendimiento general del concreto.
"Estamos tratando con moléculas por un lado, y construyendo una estructura del orden de kilómetros de longitud por el otro", dice Buyukozturk. "¿Cómo conectamos la información que desarrollamos a muy pequeña escala, parala información a gran escala? Este es el enigma "
Construyendo desde abajo, arriba
Para comenzar a comprender esta conexión, él y sus colegas analizaron materiales biológicos como huesos, esponjas de aguas profundas y nácar una capa interna de moluscos, que se han estudiado ampliamente por sus propiedades mecánicas y microscópicas.buscó en la literatura científica información sobre cada biomaterial y comparó sus estructuras y comportamiento, en las nano, micro y macroescalas, con el de la pasta de cemento.
Buscaron conexiones entre la estructura de un material y sus propiedades mecánicas. Por ejemplo, los investigadores descubrieron que la estructura de capas de sílice de las capas de sílice de una esponja de aguas profundas proporciona un mecanismo para prevenir grietas. El nácar tiene un "ladrillo y mortero"disposición de minerales que genera una fuerte unión entre las capas minerales, haciendo que el material sea extremadamente resistente.
"En este contexto, existe una amplia gama de técnicas de caracterización y modelado computacional multiescala que están bien establecidas para estudiar las complejidades de los materiales biológicos y biomiméticos, que pueden traducirse fácilmente a la comunidad del cemento", dice Masic.
Aplicando la información que aprendieron de la investigación de materiales biológicos, así como el conocimiento que reunieron sobre las herramientas de diseño de pasta de cemento existentes, el equipo desarrolló un marco general o bioinspirado, o metodología, para que los ingenieros diseñen cemento "de abajo hacia arriba".
El marco es esencialmente un conjunto de pautas que los ingenieros pueden seguir para determinar cómo ciertos aditivos o ingredientes de interés afectarán la resistencia y durabilidad general del cemento. Por ejemplo, en una línea de investigación relacionada, Buyukozturk está investigando la ceniza volcánicacomo aditivo o sustituto del cemento. Para ver si la ceniza volcánica mejoraría las propiedades de la pasta de cemento, los ingenieros, siguiendo el marco del grupo, utilizarían primero las técnicas experimentales existentes, como la resonancia magnética nuclear, la microscopía electrónica de barrido y la difracción de rayos X para caracterizar la volcánica.configuraciones sólidas y de poros de la ceniza a lo largo del tiempo.
Los investigadores podrían luego conectar estas mediciones a modelos que simulan la evolución a largo plazo del concreto, para identificar las relaciones de mesoescala entre, por ejemplo, las propiedades de las cenizas volcánicas y la contribución del material a la resistencia y durabilidad de un puente de concreto que contiene cenizas. Estas simulacionesluego se puede validar con compresión convencional y experimentos de nanoindentación, para analizar muestras reales de concreto a base de cenizas volcánicas.
En última instancia, los investigadores esperan que el marco ayude a los ingenieros a identificar los ingredientes que están estructurados y evolucionan de una manera similar a los biomateriales que pueden mejorar el rendimiento y la longevidad del concreto.
"Afortunadamente, esto nos llevará a algún tipo de receta para un concreto más sostenible", dice Buyukozturk. "Por lo general, los edificios y puentes tienen una cierta vida de diseño. ¿Podemos extender esa vida de diseño tal vez dos o tres veces? Eso es lo que nosotrosobjetivo. Nuestro marco lo pone todo en papel, de una manera muy concreta, para que lo usen los ingenieros ".
Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación de Kuwait para el Avance de las Ciencias a través del Centro de Recursos Naturales y Medio Ambiente de Kuwait-MIT, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y el Laboratorio Nacional de Argonne.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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