Sedan dess uppfinning för flera årtusenden sedan, betong har blivit avgörande för civilisationens framsteg, finner användning i otaliga byggapplikationer – från broar till byggnader. Och ändå, trots århundraden av innovation, dess funktion har förblivit huvudsakligen strukturell.

En flerårig insats av forskare från MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), i samarbete med det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS), har haft som mål att ändra på det. Deras samarbete lovar att göra betong mer hållbart genom att lägga till nya funktioner – nämligen elektronledningsförmåga. Elektronledningsförmåga skulle tillåta användning av betong för en mängd nya applikationer, allt från självuppvärmning till energilagring.

Deras tillvägagångssätt bygger på kontrollerat införande av högledande nanokolmaterial i cementblandningen. I en artikel i Physical Review Materials, de validerar detta tillvägagångssätt samtidigt som de presenterar parametrarna som dikterar materialets konduktivitet.

Nancy Soliman, tidningens huvudförfattare och en postdoc vid MIT CSHub, anser att denna forskning har potential att lägga till en helt ny dimension till det som redan är ett populärt byggmaterial.

"Detta är en första ordningens modell av det ledande cementet, " förklarar hon. "Och det kommer att ge [den kunskap] som behövs för att uppmuntra uppskalningen av dessa typer av [multifunktionella] material."

Från nanoskala till toppmoderna

Under de senaste decennierna, nanokolmaterial har förökat sig på grund av sin unika kombination av egenskaper, främst ledningsförmåga. Forskare och ingenjörer har tidigare föreslagit utveckling av material som kan ge ledningsförmåga till cement och betong om de ingår i dem.

För detta nya arbete, Soliman ville säkerställa att nanokolmaterialet de valde var tillräckligt överkomligt för att kunna produceras i stor skala. Hon och hennes kollegor bestämde sig för nanokolsvart – ett billigt kolmaterial med utmärkt ledningsförmåga. De fann att deras förutsägelser om konduktivitet bekräftades.

"Betong är naturligtvis ett isolerande material, säger Soliman, "Men när vi lägger till nanokolsvarta partiklar, det går från att vara en isolator till ett ledande material."

Genom att inkorporera nanokolsvart på bara 4 volymprocent av deras blandningar, Soliman och hennes kollegor fann att de kunde nå tröskeln för perkolation, punkten där deras prover kunde bära en ström.

De märkte att den här strömmen också hade ett intressant resultat:det kunde generera värme. Detta beror på vad som kallas Joule-effekten.

"Joule-uppvärmning (eller resistiv uppvärmning) orsakas av interaktioner mellan de rörliga elektronerna och atomerna i ledaren, förklarar Nicolas Chanut, en medförfattare på tidningen och en postdoc vid MIT CSHub. "De accelererade elektronerna i det elektriska fältet utbyter kinetisk energi varje gång de kolliderar med en atom, inducerar vibrationer av atomerna i gittret, som visar sig som värme och en temperaturhöjning i materialet."

I sina experiment, de fann att även en liten spänning – så låg som 5 volt – kunde öka yttemperaturen på deras prover (ungefär 5 cm ³ i storlek) upp till 41 grader Celsius (cirka 100 grader Fahrenheit). Medan en vanlig varmvattenberedare kan nå jämförbara temperaturer, det är viktigt att överväga hur detta material skulle implementeras jämfört med konventionella uppvärmningsstrategier.

"Denna teknik kan vara idealisk för strålande golvvärme inomhus, " förklarar Chanut. "Vanligtvis, inomhusstrålningsuppvärmning sker genom att uppvärmt vatten cirkulerar i rör som går under golvet. Men detta system kan vara utmanande att konstruera och underhålla. När själva cementen blir ett värmeelement, dock, värmesystemet blir enklare att installera och mer pålitligt. Dessutom, cementen erbjuder en mer homogen värmefördelning på grund av den mycket goda spridningen av nanopartiklarna i materialet."

Nanokolcement kan ha olika användningsområden utomhus, också. Chanut och Soliman tror att om de implementeras i betongbeläggningar, nanokolcement kan minska hållbarheten, hållbarhet, och säkerhetsfrågor. Mycket av dessa farhågor härrör från användningen av salt för avisning.

"I Nordamerika, vi ser mycket snö. För att få bort denna snö från våra vägar krävs användning av avisningssalter, som kan skada betongen, och förorenar grundvattnet, " noterar Soliman. De tunga lastbilarna som används för att salta vägar är också både tunga utsläppskällor och dyra i drift.

Genom att möjliggöra strålningsvärme i trottoarer, nanokolcement skulle kunna användas för att avisa trottoarer utan vägsalt, potentiellt spara miljontals dollar i reparations- och driftskostnader samtidigt som säkerhets- och miljöproblem åtgärdas. I vissa applikationer där det är av största vikt att bibehålla exceptionella trottoarförhållanden – som till exempel flygplatsbanor – kan denna teknik visa sig vara särskilt fördelaktig.

Trassliga ledningar

Även om denna toppmoderna cement erbjuder eleganta lösningar på en rad problem, Att uppnå multifunktionalitet innebar en mängd tekniska utmaningar. Till exempel, utan ett sätt att rikta in nanopartiklarna till en fungerande krets – känd som den volymetriska ledningen – inom cementen, deras ledningsförmåga skulle vara omöjlig att utnyttja. För att säkerställa en idealisk volymetrisk ledning, forskare undersökte en egenskap som kallas slingrande.

"Turtuosity är ett koncept som vi introducerade analogt från diffusionsfältet, " förklarar Franz-Josef Ulm, en ledare och medförfattare på tidningen, professor vid MIT-avdelningen för civil- och miljöteknik, och fakultetsrådgivaren på CSHub. "Förr, den har beskrivit hur joner flödar. I det här arbetet, vi använder det för att beskriva flödet av elektroner genom den volymetriska ledningen."

Ulm förklarar slingrande med exemplet med en bil som färdas mellan två punkter i en stad. Medan avståndet mellan dessa två punkter fågelvägen kan vara två mil, den faktiska körsträckan kan vara större på grund av gatornas kretslopp.

Detsamma gäller för elektronerna som färdas genom cement. Den väg de måste ta inom provet är alltid längre än längden på själva provet. Graden som den vägen är längre är slingrandet.

Att uppnå den optimala slingrningen innebär att balansera mängden och spridningen av kol. Om kolet är för starkt dispergerat, de volymetriska ledningarna blir glesa, leder till hög slingrande. Liknande, utan tillräckligt med kol i provet, slingrandet kommer att vara för stort för att bilda en direkt, effektiv kabeldragning med hög ledningsförmåga.

Även tillsats av stora mängder kol kan visa sig kontraproduktivt. Vid en viss punkt kommer konduktiviteten att upphöra att förbättras och, i teorin, skulle bara öka kostnaderna om de genomfördes i stor skala. Som ett resultat av dessa krångligheter, de försökte optimera sina mixar.

"Vi fann att genom att finjustera volymen kol kan vi nå ett tortuositetsvärde på 2, " säger Ulm. "Detta betyder att den väg elektronerna tar är bara dubbelt så lång som provet."

Att kvantifiera sådana egenskaper var avgörande för Ulm och hans kollegor. Målet med deras senaste papper var inte bara att bevisa att multifunktionell cement var möjlig, men att det också var lönsamt för massproduktion.

"Nyckelpunkten är att för att en ingenjör ska kunna plocka upp saker, de behöver en kvantitativ modell, " förklarar Ulm. "Innan du blandar ihop material, du vill kunna förvänta dig vissa repeterbara egenskaper. Det är precis vad denna tidning beskriver; den skiljer det som beror på randvillkor – [extra] miljöförhållanden – från vad som verkligen beror på de grundläggande mekanismerna i materialet."

Genom att isolera och kvantifiera dessa mekanismer, Soliman, Chanut, och Ulm hoppas kunna ge ingenjörer exakt vad de behöver för att implementera multifunktionell cement i en bredare skala. Vägen de har kartlagt är lovande – och, tack vare deras arbete, borde inte visa sig vara för slingrande.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.