Embalado, esferas de silicato de cálcio em escala de mícron desenvolvidas na Rice University são um material promissor que pode levar a um concreto mais resistente e ecologicamente correto. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz
Os cientistas da Rice University desenvolveram esferas de silicato de cálcio de tamanho mícron que podem levar a um concreto mais forte e mais verde, o material sintético mais usado no mundo.
Ao cientista de materiais do arroz Rouzbeh Shahsavari e ao estudante de graduação Sung Hoon Hwang, as esferas representam blocos de construção que podem ser feitos a baixo custo e prometem mitigar as técnicas de uso intensivo de energia agora usadas para fazer cimento, o aglutinante mais comum em concreto.
Os pesquisadores formaram as esferas em uma solução em torno de sementes em nanoescala de um surfactante semelhante a um detergente comum. As esferas podem ser solicitadas a se automontar em sólidos que são mais fortes, Mais duramente, mais elástico e mais durável do que o cimento Portland onipresente.
"O cimento não tem a estrutura mais bonita, "disse Shahsavari, professor assistente de ciência dos materiais e nanoengenharia. "As partículas de cimento são amorfas e desorganizadas, o que o torna um pouco vulnerável a rachaduras. Mas com este material, sabemos quais são os nossos limites e podemos canalizar polímeros ou outros materiais entre as esferas para controlar a estrutura de baixo para cima e prever com mais precisão como ela pode se fraturar. "
Ele disse que as esferas são adequadas para engenharia de tecido ósseo, isolamento, aplicações de cerâmica e compósitos, bem como cimento.
A pesquisa aparece na revista American Chemical Society Langmuir .
O trabalho se baseia em um projeto de 2017 de Shahsavari e Hwang para desenvolver materiais de autocura com materiais porosos, esferas microscópicas de silicato de cálcio. O novo material não é poroso, como uma concha sólida de silicato de cálcio envolve a semente do surfactante.
Esferas de silicato de cálcio sintetizadas na Rice University e embaladas em uma pelota que se mantém sob compressão. As esferas são blocos de construção que podem ser feitos a baixo custo e prometem mitigar as técnicas de uso intensivo de energia agora usadas para fazer cimento, o aglutinante mais comum em concreto. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz
Mas, como o projeto anterior, foi inspirado em como a natureza coordena interfaces entre materiais diferentes, particularmente em nácar (também conhecido como madrepérola), o material das conchas do mar. A força do Nacre é o resultado da alternância de plaquetas inorgânicas rígidas e orgânicas moles. Porque as esferas imitam essa estrutura, eles são considerados biomiméticos.
Os pesquisadores descobriram que podiam controlar o tamanho das esferas que variam de 100 a 500 nanômetros de diâmetro por meio da manipulação de surfactantes, soluções, concentrações e temperaturas durante a fabricação. Isso permite que eles sejam ajustados para aplicativos, Shahsavari disse.
"Estes são blocos de construção muito simples, mas universais, duas características principais de muitos biomateriais, "Shahsavari disse." Eles permitem funcionalidades avançadas em materiais sintéticos. Anteriormente, houve tentativas de fazer blocos de construção de plaquetas ou fibra para compósitos, mas este trabalho usa esferas para criar fortes, materiais biomiméticos resistentes e adaptáveis.
"As formas das esferas são importantes porque são muito mais fáceis de sintetizar, auto-montar e escalar do ponto de vista da química e da fabricação em grande escala. "
Em testes, os pesquisadores usaram dois surfactantes comuns para fazer esferas e comprimiram seus produtos em pellets para teste. Eles aprenderam que pelotas baseadas em DTAB compactam melhor e são mais resistentes, com um módulo de elasticidade mais alto, do que os grânulos CTAB ou cimento comum. Eles também apresentaram alta resistência elétrica.
Shahsavari disse que o tamanho e a forma das partículas em geral têm um efeito significativo nas propriedades mecânicas e na durabilidade de materiais a granel, como o concreto. "É muito benéfico ter algo que você pode controlar, em vez de um material que é aleatório por natureza, "disse ele." Além disso, pode-se misturar esferas com diâmetros diferentes para preencher as lacunas entre as estruturas automontadas, levando a densidades de empacotamento mais altas e, portanto, propriedades mecânicas e de durabilidade. "
Ele disse que aumentar a resistência do cimento permite que os fabricantes usem menos concreto, diminuindo não apenas o peso, mas também a energia necessária para fazê-lo e as emissões de carbono associadas à fabricação do cimento. Porque as esferas compactam com mais eficiência do que as partículas irregulares encontradas no cimento comum, o material resultante será mais resistente a íons prejudiciais da água e outros contaminantes e deve exigir menos manutenção e substituição menos frequente.
