En kalciumsilikat-hydrat (aka cement) spets svävar över en slät tobermorityta i en datasimulering av forskare från Rice University. Forskarna studerade hur krafter på atomnivå i partikelsystem interagerar när friktion appliceras. Deras beräkningar visar att sådana material kan förbättras för specifika tillämpningar genom att kontrollera materialens kemiska bindningsegenskaper. Kredit:Shahsavari Group/Rice University
Även när man bygger stort, varje atom spelar roll, enligt ny forskning om partikelbaserade material vid Rice University.
Risforskarna Rouzbeh Shahsavari och Saroosh Jalilvand har publicerat en studie som visar vad som händer i nanoskala när "strukturellt komplexa" material som betong - ett slumpmässigt virrvarr av element snarare än en ordnad kristall - gnuggar mot varandra. De repor de lämnar efter sig kan säga mycket om deras egenskaper.
Forskarna är de första som kör sofistikerade beräkningar som visar hur krafter på atomnivå påverkar de mekaniska egenskaperna hos ett komplext partikelbaserat material. Deras tekniker föreslår nya sätt att finjustera kemin hos sådana material för att göra dem mindre benägna att spricka och mer lämpade för specifika tillämpningar.
Forskningen visas i tidskriften American Chemical Society Tillämpade material och gränssnitt .
Studien använde kalciumsilikat-hydrat (C-S-H), aka cement, som ett modellpartikelsystem. Shahsavari blev ganska bekant med C-S-H när han deltog i konstruktionen av de första modellerna i atomär skala av materialet.
C-S-H är limmet som binder de små stenarna, grus och sand i betong. Även om det ser ut som en pasta innan det härdar, den består av diskreta partiklar i nanoskala. De van der Waals och Coulombiska krafterna som påverkar interaktionerna mellan C-S-H och de större partiklarna är nyckeln till materialets totala styrka och brottegenskaper, sa Shahsavari. Han bestämde sig för att ta en närmare titt på dessa och andra mekanismer i nanoskala.
"Klassiska studier av friktion på material har funnits i århundraden, " sa han. "Det är känt att om du gör en yta grov, friktionen kommer att öka. Det är en vanlig teknik inom industrin för att förhindra glidning:Grova ytor blockerar varandra.
"Det vi upptäckte är att förutom de vanliga mekaniska uppruggningsteknikerna, modulering av ytkemi, vilket är mindre intuitivt, kan avsevärt påverka friktionen och därmed de mekaniska egenskaperna hos partikelsystemet."
Shahsavari sa att det är en missuppfattning att huvudmängden av ett enskilt element - till exempel, kalcium i C-S-H – styr direkt de mekaniska egenskaperna hos ett partikelsystem. "Vi fann att det som styr egenskaper i partiklar kan vara helt annorlunda än vad som styr deras ytinteraktioner, ", sa han. Medan mer kalciuminnehåll på ytan skulle förbättra friktionen och därmed styrkan på enheten, lägre kalciumhalt skulle gynna styrkan hos enskilda partiklar.
"Detta kan verka motsägelsefullt, men det föreslår att för att uppnå optimala mekaniska egenskaper för ett partikelsystem, nya syntetiska och bearbetningsvillkor måste utformas för att placera elementen på rätt platser, " han sa.
En uppifrån och ned-titt på spetsen av en virtuell cementprob visar atomernas position, domineras av kalcium och silikat. Forskare vid Rice University använde simuleringar för att visa att den kemiska sammansättningen av partikelsystem påverkar deras materialstyrka genom att simulera friktion med olika ytor. Kredit:Shahsavari Group/Rice University
Forskarna fann också att bidraget från naturlig van der Waals attraktion mellan molekyler var mycket mer betydande än coulombiska (elektrostatiska) krafter i C-S-H. Den där, för, berodde främst på kalcium, sa Shahsavari.
För att testa sina teorier, Shahsavari och Jalilvand byggde datormodeller av grov C-S-H och slät tobermorit. De drog en virtuell spets av den förra över toppen av den senare, skrapa på ytan för att se hur hårt de skulle behöva trycka på dess atomer för att förskjuta dem. Deras scratch-simuleringar gjorde det möjligt för dem att avkoda nyckelkrafterna och mekaniken inblandade samt att förutsäga tobermoritens inneboende brottseghet, siffror som bekräftas av andras experiment.
Shahsavari sa att analys på atomnivå kan hjälpa till att förbättra ett brett utbud av icke-kristallina material, inklusive keramik, sandstrand, pulver, spannmål och kolloider.
