Den rätta blandningen av vätebindningar i polymer- och cementkompositer är avgörande för att göra starka, tufft och smidigt infrastrukturmaterial, enligt forskare från Rice University som vill efterlikna mekaniken hos pärlemor och liknande naturliga kompositer med syntetiska material.

Snäckskal av pärlemor, aka nacre, få sina anmärkningsvärda egenskaper från överlappande mikronstorlek, mineraliserade plattor som hålls samman av en mjuk matris. Denna struktur kan nås av cement- och polymerkompositer som kan, till exempel, göra bättre jordbävningsbeständig betong, enligt Rouzbeh Shahsavari, en biträdande professor i civil- och miljöteknik.

Rislabbet körde mer än 20 datorsimuleringar av hur polymerer och cementmolekyler kommer ihop på nanoskala och vad som driver deras vidhäftning. Forskarna visade att närheten av syre och väteatomer är den kritiska faktorn för att bilda ett nätverk av svaga vätebindningar som förbinder mjuka och hårda lager. Vanlig polyakrylsyra (PAA) visade sig bäst vid bindning av de överlappande skikten av cementkristaller med en optimal överlappning på cirka 15 nanometer.

"Denna information är viktig för att göra de bästa syntetiska kompositerna, "sa Shahsavari, som drev projektet med Rice -doktoranden Navid Sakhavand. "En modern ingenjörsstrategi för dessa material kommer att ha stor inverkan på samhället, särskilt när vi bygger nytt och ersätter åldrande infrastruktur. "

Laboratoriets resultat visas i Tillämpad fysikbokstäver .

Medan ingenjörer förstår att tillsats av polymerer förbättrar cement genom att blockera de skadliga effekterna av "aggressiva" joner som invaderar dess porer, detaljer om hur materialen interagerar i molekylskala har varit okända, Sa Shahsavari. Att få reda på, forskarna modellerade kompositer med PAA samt polyvinylalkohol (PVA), både mjuka matrismaterial som har använts för att förbättra cement.

De upptäckte att de två olika syreatomerna i PAA (i motsats till en i PVA) tillät det att ta emot och donera joner när det bindes med väte i kristallerna i tobermoritcement. Syre i PAA hade åtta sätt att binda till väte (sex för PVA) och kunde också delta i saltbryggning mellan polymeren och cement, vilket gör bindningsnätverket ännu mer komplext.

Forskarna testade sina simulerade strukturer genom att skjuta lager av polymer och cement mot varandra och fann att komplexiteten tillät bindningarna mellan PAA och cement att bryta och återansluta oftare när materialet var stressat, vilket ökar dess seghet avsevärt, förmågan att deformeras utan att spricka. Detta gjorde det möjligt för forskarna att bestämma den optimala överlappningen mellan cementkristaller.

"I motsats till den vanliga intuitionen att vätebindningar är svaga, när rätt antal av dem - den optimala överlappningen - samarbetar, de ger tillräcklig anslutning i kompositen för att ge hög hållfasthet och hög seghet, "Sa Shahsavari." Ur experimentell synvinkel, detta kan göras genom att noggrant justera och styra tillsatsen av polymererna med rätt molekylvikt samtidigt som cementmineralbildningen kontrolleras. Verkligen, ett nyligen experimentellt dokument av våra kollegor visade ett bevis på konceptet mot denna strategi. "