A mistura certa de ligações de hidrogênio em compósitos de polímero e cimento é crítica para tornar forte, material de infraestrutura resistente e dúctil, de acordo com cientistas da Rice University que querem imitar a mecânica da madrepérola e compósitos naturais semelhantes com materiais sintéticos.

Conchas do mar feitas de madrepérola, também conhecido como nácar, obtêm suas propriedades notáveis ​​de sobreposição de tamanhos de micron, placas mineralizadas mantidas juntas por uma matriz mole. Esta estrutura pode ser abordada por cimento e compósitos poliméricos que podem, por exemplo, fazer um concreto melhor resistente a terremotos, de acordo com Rouzbeh Shahsavari, professor assistente de engenharia civil e ambiental.

O laboratório Rice executou mais de 20 simulações de computador de como polímeros e moléculas de cimento se juntam em nanoescala e o que impulsiona sua adesão. Os pesquisadores mostraram que a proximidade dos átomos de oxigênio e hidrogênio é o fator crítico na formação de uma rede de ligações fracas de hidrogênio que conecta as camadas moles e duras. O ácido poliacrílico comum (PAA) provou ser o melhor na ligação das camadas sobrepostas de cristais de cimento com uma sobreposição ideal de cerca de 15 nanômetros.

“Esta informação é importante para fazer os melhores compósitos sintéticos, "disse Shahsavari, que dirigiu o projeto com o estudante de graduação de Rice, Navid Sakhavand. "Uma abordagem de engenharia moderna para esses materiais terá um grande impacto na sociedade, especialmente à medida que construímos novas e substituímos infraestruturas antigas. "

Os resultados do laboratório aparecem em Cartas de Física Aplicada .

Embora os engenheiros entendam que adicionar polímeros melhora o cimento, bloqueando os efeitos prejudiciais dos íons "agressivos" que invadem seus poros, detalhes sobre como os materiais interagem em escala molecular permaneceram desconhecidos, Shahsavari disse. Descobrir, os pesquisadores modelaram compósitos com PAA, bem como álcool polivinílico (PVA), ambos os materiais de matriz macia que foram usados ​​para melhorar o cimento.

Eles descobriram que os dois átomos de oxigênio diferentes no PAA (em oposição a um no PVA) permitiam que ele recebesse e doasse íons à medida que se ligava ao hidrogênio nos cristais do cimento tobermorita. O oxigênio no PAA tinha oito maneiras de se ligar ao hidrogênio (seis para o PVA) e também poderia participar da ponte de sal entre o polímero e o cimento, o que torna a rede de ligação ainda mais complexa.

Os pesquisadores testaram suas estruturas simuladas deslizando camadas de polímero e cimento umas contra as outras e descobriram que a complexidade permitiu que as ligações entre o PAA e o cimento se quebrassem e se reconectassem com mais frequência à medida que o material era tensionado, o que aumenta significativamente sua resistência, a capacidade de deformar sem fraturar. Isso permitiu aos pesquisadores determinar a sobreposição ideal entre os cristais de cimento.

"Em contraste com a intuição comum de que as ligações de hidrogênio são fracas, quando o número certo deles - a sobreposição ideal - coopera, eles fornecem conectividade suficiente no composto para conferir alta resistência e alta tenacidade, "Shahsavari disse." De um ponto de vista experimental, isso pode ser feito ajustando e controlando cuidadosamente a adição dos polímeros com o peso molecular correto enquanto controla a formação de minerais de cimento. De fato, um artigo experimental recente de nossos colegas mostrou uma prova de conceito para essa estratégia. "