Forskare vid Purdue University studerar om betong görs starkare genom att införa det med mikroskopiska nanokristaller från trä flyttar från laboratoriet till den verkliga världen med en bro som kommer att byggas i Kalifornien i vår.

Forskarna har arbetat med cellulosananokrystaller, biprodukter som genereras av papperet, bioenergi, jordbruk och massaindustrin, för att hitta den bästa blandningen för att förstärka betong, det vanligaste konstgjorda materialet i världen.

"Helt enkelt komma ut där människor faktiskt kan köra på det, Jag tror, är ett stort steg eftersom du inte bara kan säga att det är en nyfikenhet på den tiden. Det har verkliga konsekvenser, "sa Jeffrey Youngblood, en Purdue -professor i materialteknik.

Förstärkning av betong kan ha andra konsekvenser, som att göra föremål tillverkade med betong tunnare och lättare samtidigt som de behåller samma styrka med en potentiell sidofördel av minskande koldioxid som släpps ut i atmosfären. Cementverk står för uppskattningsvis 8 procent av de globala utsläppen av koldioxid, en viktig orsak till klimatförändringarna.

Katalysatorn för denna potentiellt transformativa förändring är en cellulosananokristall som är cirka 100 nanometer lång och 5 nanometer bred, för liten för att ses med ett vanligt mikroskop. Det kan endast ses med hjälp av ett elektronmikroskop. För perspektiv, ett människohår är cirka 100, 000 nanometer bred. Ändå är cellulosa den vanligaste polymeren i världen eftersom den kan erhållas från träprodukter, växter, bakterier och alger.

Cellulosananokrystaller gör betongen starkare genom en kemisk reaktion som ökar hydratiseringen av cementpartiklarna, gör betongen starkare, säger forskarna. "Betongens styrka skala med graden av hydratisering. Så ju mer hydratiserad det är, ju starkare det är, ”Sa Youngblood.” Så du skulle tro att om du tillsätter mer vatten skulle det vara starkare. Problemet är, vatten lägger till porer som gör det svagare. Men cellulosananokrystaller förbättrar hydratisering med mindre vatten, gör betongen starkare. "

Pablo Zavattieri, professor vid Lyles School of Civil Engineering, sade cellulosananokrystaller ger en väg för vattnet att gå dit det behövs. Alla cementpartiklar hydratiseras inte när betong blandas, vilket hämmar betongens hållfasthet och hållbarhet.

"Det som är bra med cellulosananokrystaller är att det liksom skapar en skena för vattnet att gå in i en partikel, Zavattieri sa.

Jason Weiss, Miles Lowell och Margaret Watt Edwards Distinguished Chair in Engineering vid Oregon State University, som tidigare var professor vid Purdue, sa att cellulosananokristaller gör betong effektivare eftersom mindre massa behövs för att göra något som är lika starkt.

"Så det kan bli mer hållbart och mer effektivt, " han sa.

Youngblood sa att en annan fördel är att den cellulosainfusionerade betongen stelnar snabbare, vilket innebär mindre väntan på att betong härdar när man använder blanketter för att göra broar eller för oljeborrning.

"För varje dag som en besättning där ute inte pumpar olja är en dag som förlorar pengar, "Sa Youngblood. Cementprover

Forskarna säger att kostnaden för att använda cellulosananokristaller kan kompenseras genom att kunna använda mindre cement, men den exakta kostnaden har inte fastställts. De säger att i stor utsträckning cellulosa -nanokristaller används kommer att vara en faktor. Men även om bara en liten andel av all tillverkad betong använde cellulosananokristaller, det skulle ha stor inverkan bara för att konkret användning är så allestädes närvarande.

Forskarna säger att arbetet med att skala till betong och förbereda sig för bron i Kalifornien är ett partnerskap mellan Purdue, Oregon State University, P3Nano och andra. P3Nano är ett offentlig-privat partnerskap som är utformat för att stödja kommersialiseringen av cellulosa-nanomaterial. P3Nano har varit aktivt involverat i fullskaliga försök och är sponsor av projektet vid Oregon State University för att demonstrera tillämpningar av cellulosa nanokristaller i broar och platta plattor. Den exakta bron i Kalifornien där cellulosainfunderad betong kommer att användas har ännu inte fastställts.

Purdue -forskarna började titta på cellulosa för ett decennium sedan i samarbete med Robert Moon, en forskare från U.S. Forest Service Forest Products Laboratory, som var baserad på Purdue vid den tiden. Skogsförvaltningen letade efter användningsområden för sjuka, skadade stockar med liten diameter, som finns gott om i skogarna.

Ungt blod, som främst arbetar med plast, sade utmaningen inledningsvis var att bestämma var de vattenlösliga cellulosananokrystaller skulle kunna användas. Idén att använda den i betong kom till honom när han grävde ett posthål och förberedde betong. Det var där forskningen började.

Youngblood sa att forskarna snabbt fann att cellulosananokrystaller gjorde betongen starkare, men de visste inte varför.

"Jag gick ner till Jason Weiss kontor och visade honom uppgifterna och han sa att det inte borde fungera eftersom cellulosananokrystaller är för små. Det var då vi insåg att vi hade något, för om något baseras på hur saker och ting fungerar normalt, baserat på teorier eller vad som helst, borde inte fungera och det gör det, det är då du vanligtvis har hittat något viktigt, Sa Youngblood. Det var så det började.

Forskningen finansierades delvis av National Science Foundation. Weiss sa att NSF -arbete ledde till pastor som testades som hjälpte forskare att förstå att cellulosananokrystaller inte fungerar som konventionella fibrer utan snarare förändrar mikrostrukturen.

Blaine Kunkel, VD för Nano-Green Biorefineries Inc., som har ett licensavtal med Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization för att kommersialisera tekniken, sade företaget är upphetsad över potentialen i cellulosa nanokristaller.

"Vi ser detta som transformationsteknik, " han sa.