Uma ponta de silicato de cálcio hidratado (também conhecida como cimento) paira sobre uma superfície lisa de tobermorita em uma simulação de computador feita por cientistas da Rice University. Os pesquisadores estudaram como as forças de nível atômico em sistemas particulados interagem quando o atrito é aplicado. Seus cálculos mostram que tais materiais podem ser melhorados para aplicações específicas, controlando as propriedades de ligação química dos materiais. Crédito:Shahsavari Group / Rice University
Mesmo ao construir grandes, cada átomo importa, de acordo com uma nova pesquisa sobre materiais à base de partículas na Rice University.
Os pesquisadores do arroz Rouzbeh Shahsavari e Saroosh Jalilvand publicaram um estudo mostrando o que acontece na nanoescala quando materiais "estruturalmente complexos" como o concreto - uma mistura aleatória de elementos em vez de um cristal ordenado - esfregam uns contra os outros. Os arranhões que eles deixam podem dizer muito sobre suas características.
Os pesquisadores são os primeiros a executar cálculos sofisticados que mostram como as forças em nível atômico afetam as propriedades mecânicas de um material complexo à base de partículas. Suas técnicas sugerem novas maneiras de ajustar a química de tais materiais para torná-los menos propensos a rachaduras e mais adequados para aplicações específicas.
A pesquisa aparece na revista American Chemical Society Materiais Aplicados e Interfaces .
O estudo usou silicato de cálcio-hidrato (C-S-H), também conhecido como cimento, como um sistema de partículas modelo. Shahsavari se familiarizou bastante com C-S-H enquanto participava da construção dos primeiros modelos em escala atômica do material.
C-S-H é a cola que une as pequenas pedras, cascalho e areia no concreto. Embora pareça uma pasta antes de endurecer, ele consiste em partículas em nanoescala discretas. As forças de van der Waals e Coulombic que influenciam as interações entre o C-S-H e as partículas maiores são a chave para a resistência geral do material e propriedades de fratura, disse Shahsavari. Ele decidiu dar uma olhada nesses e em outros mecanismos em nanoescala.
"Os estudos clássicos de fricção em materiais existem há séculos, "ele disse." É sabido que se você tornar uma superfície áspera, o atrito vai aumentar. Essa é uma técnica comum na indústria para evitar o deslizamento:as superfícies ásperas bloqueiam umas às outras.
"O que descobrimos é que, além das técnicas comuns de rugosidade mecânica, modulação da química de superfície, o que é menos intuitivo, pode afetar significativamente o atrito e, portanto, as propriedades mecânicas do sistema de partículas. "
Shahsavari disse que é um equívoco pensar que a maior parte de um único elemento, por exemplo, cálcio em C-S-H - controla diretamente as propriedades mecânicas de um sistema particulado. "Descobrimos que o que controla as propriedades dentro das partículas pode ser completamente diferente do que controla suas interações de superfície, "disse ele. Embora mais conteúdo de cálcio na superfície melhorasse o atrito e, portanto, a resistência da montagem, menor teor de cálcio beneficiaria a resistência das partículas individuais.
"Isso pode parecer contraditório, mas sugere que, para atingir propriedades mecânicas ideais para um sistema de partículas, novas condições sintéticas e de processamento devem ser concebidas para colocar os elementos nos lugares certos, " ele disse.
Uma olhada de cima para baixo na ponta de uma sonda de cimento virtual mostra a posição dos átomos, dominado por cálcio e silicato. Pesquisadores da Rice University usaram simulações para mostrar que a composição química dos sistemas particulados afeta a resistência do material, simulando o atrito com várias superfícies. Crédito:Shahsavari Group / Rice University
Os pesquisadores também descobriram que a contribuição da atração natural de van der Waals entre as moléculas é muito mais significativa do que as forças Coulombic (eletrostáticas) em C-S-H. Este, também, foi principalmente devido ao cálcio, Shahsavari disse.
Para testar suas teorias, Shahsavari e Jalilvand construíram modelos de computador de C-S-H áspero e tobermorite liso. Eles arrastaram uma ponta virtual do primeiro pelo topo do último, arranhando a superfície para ver com que força eles teriam que empurrar seus átomos para deslocá-los. Suas simulações de arranhões permitiram decodificar as principais forças e mecânicas envolvidas, bem como prever a resistência à fratura inerente do tobermorite, números confirmados por experimentos de outros.
Shahsavari disse que a análise em nível atômico pode ajudar a melhorar uma ampla gama de materiais não cristalinos, incluindo cerâmica, areias, pós, grãos e colóides.
