Rice University forskare har bestämt att oavsett hur stor eller liten en bit tobermorit är, den kommer att reagera på lastkrafter på exakt samma sätt. Men att peta på den med en vass spets kommer att ändra dess styrka.

Tobermorite är en naturligt förekommande kristallin analog till kalcium-silikat-hydratet (C-S-H) som utgör cement, som i sin tur binder betong, världens mest använda material. En form av tobermorit som användes av antika romare tros vara en nyckel till den legendariska styrkan hos deras undervattensbetongkonstruktioner.

Det finskiktade materialet kommer att deformeras på olika sätt beroende på hur standardkrafter—skjuvning, kompression och spänning – appliceras, men deformationen kommer att vara konsekvent bland provstorlekarna, enligt rismaterialforskaren Rouzbeh Shahsavari. Han utförde forskningen, som dyker upp i Natur s öppen tillgång Vetenskapliga rapporter , med huvudförfattare och doktorand Lei Tao.

För deras senaste undersökning, Shahsavari och Tao byggde molekylära dynamikmodeller av materialet. Deras simuleringar avslöjade tre viktiga molekylära mekanismer i arbete i tobermorit som sannolikt också är ansvariga för styrkan hos C-S-H och andra skiktade material. Den ena är en förskjutningsmekanism där atomer under stress rör sig kollektivt när de försöker hålla sig i jämvikt. En annan är en diffusionsmekanism där atomer rör sig mer kaotiskt. De fann att materialet bibehåller sin strukturella integritet bäst under skjuvning, och mindre under tryck- och sedan dragbelastning.

Mer intressant för forskarna var den tredje mekanismen, genom vilken bindningar mellan skikten bildades när man tryckte in en nanoindenter i materialet. En nanoindenter är en enhet (simulerad i detta fall) som används för att testa hårdheten hos mycket små volymer av material. Den höga spänningen vid intryckningspunkten föranledde lokala fastransformationer där den kristallina strukturen av materialet deformerades och skapade starka bindningar mellan skikten, ett fenomen som inte observerats under standardkrafter. Styrkan på bindningen berodde på både mängden kraft och, till skillnad från stressfaktorerna i makroskala, storleken på spetsen.

"Det finns betydande stress precis under den lilla spetsen av nanoindentern, "Shahsavari sade. "Det förbinder de angränsande lagren. När du tar bort spetsen, strukturen går inte tillbaka till den ursprungliga konfigurationen. Det är viktigt:Dessa omvandlingar är oåterkalleliga.

"Förutom att ge grundläggande förståelse för viktiga deformationsmekanismer, detta arbete avslöjar den verkliga mekaniska responsen från systemet under små lokaliserade (mot konventionella) belastningar, såsom nanointryck, " sa han. "Om en förändring av spetsstorleken (och därmed den interna topologin) kommer att förändra mekaniken - till exempel, gör materialet starkare - då kan man använda den här funktionen för att bättre designa systemet för särskilda lokaliserade belastningar."

Shahsavari är biträdande professor i civil- och miljöteknik och i materialvetenskap och nanoteknik.