Rice University-forskare har utvecklat kalciumsilikatsfärer i mikronstorlek som kan leda till starkare och grönare betong, världens mest använda syntetiska material.

Till rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari och doktorand Sung Hoon Hwang, sfärerna representerar byggstenar som kan tillverkas till låg kostnad och lovar att mildra de energikrävande tekniker som nu används för att tillverka cement, det vanligaste bindemedlet i betong.

Forskarna bildade sfärerna i en lösning runt frön i nanoskala av ett vanligt tvättmedelsliknande ytaktivt ämne. Sfärerna kan uppmanas att självmontera till fasta ämnen som är starkare, hårdare, mer elastisk och mer hållbar än allestädes närvarande Portlandcement.

"Cement har inte den snyggaste strukturen, sa Shahsavari, en biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik. "Cementpartiklar är amorfa och oorganiserade, vilket gör den lite sårbar för sprickor. Men med detta material, vi vet vad våra gränser är och vi kan kanalisera polymerer eller andra material mellan sfärerna för att kontrollera strukturen från botten till toppen och förutsäga mer exakt hur den kan spricka."

Han sa att sfärerna är lämpliga för benvävnadsteknik, isolering, keramiska och kompositapplikationer samt cement.

Forskningen visas i tidskriften American Chemical Society Langmuir .

Arbetet bygger på ett projekt från 2017 av Shahsavari och Hwang för att utveckla självläkande material med porösa, mikroskopiska kalciumsilikatsfärer. Det nya materialet är inte poröst, som ett fast kalciumsilikatskal omger det ytaktiva fröet.

Men som det tidigare projektet, det var inspirerat av hur naturen koordinerar gränssnitt mellan olika material, särskilt i pärlemor (alias pärlemor), materialet av snäckskal. Nacres styrka är ett resultat av omväxlande styva oorganiska och mjuka organiska blodplättar. Eftersom sfärerna imiterar den strukturen, de anses vara biomimetiska.

Forskarna upptäckte att de kunde kontrollera storleken på sfärerna som sträcker sig från 100 till 500 nanometer i diameter genom att manipulera ytaktiva ämnen, lösningar, koncentrationer och temperaturer under tillverkningen. Det gör att de kan ställas in för applikationer, sa Shahsavari.

"Det här är väldigt enkla men universella byggstenar, två nyckelegenskaper hos många biomaterial, "Shahsavari sa. "De möjliggör avancerade funktioner i syntetiska material. Tidigare, det gjordes försök att tillverka trombocyt- eller fiberbyggstenar för kompositer, men det här fungerar använder sfärer för att skapa starka, tuffa och anpassningsbara biomimetiska material.

"Sfärformer är viktiga eftersom de är mycket lättare att syntetisera, självmontera och skala upp ur kemi och storskalig tillverkning."

I tester, forskarna använde två vanliga ytaktiva ämnen för att göra sfärer och komprimerade sina produkter till pellets för testning. De lärde sig att DTAB-baserade pellets komprimerade bäst och var segare, med en högre elasticitetsmodul, än antingen CTAB-pellets eller vanlig cement. De visade också högt elektriskt motstånd.

Shahsavari sa att storleken och formen på partiklar i allmänhet har en betydande effekt på de mekaniska egenskaperna och hållbarheten hos bulkmaterial som betong. "Det är mycket fördelaktigt att ha något du kan kontrollera i motsats till ett material som är slumpmässigt av naturen, " sade han. "Vidare, man kan blanda sfärer med olika diametrar för att fylla luckorna mellan de självmonterade strukturerna, vilket leder till högre packningsdensiteter och därmed mekaniska egenskaper och hållbarhetsegenskaper."

Han sa att en ökning av cementstyrkan gör att tillverkare kan använda mindre betong, minskar inte bara vikten utan också energin som krävs för att tillverka den och koldioxidutsläppen i samband med cementtillverkningen. Eftersom sfärer packas mer effektivt än de trasiga partiklarna som finns i vanlig cement, det resulterande materialet kommer att vara mer motståndskraftigt mot skadliga joner från vatten och andra föroreningar och bör kräva mindre underhåll och mindre frekvent utbyte.