Desde sua invenção, há vários milênios, concreto tornou-se fundamental para o avanço da civilização, encontrando uso em inúmeras aplicações de construção - de pontes a edifícios. E ainda, apesar de séculos de inovação, sua função permaneceu principalmente estrutural.

Um esforço de vários anos por pesquisadores do MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), em colaboração com o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), tem como objetivo mudar isso. A colaboração deles promete tornar o concreto mais sustentável, adicionando novas funcionalidades, ou seja, condutividade de elétrons. A condutividade de elétrons permitiria o uso de concreto para uma variedade de novas aplicações, variando de autoaquecimento a armazenamento de energia.

Sua abordagem se baseia na introdução controlada de materiais de nanocarbono altamente condutores na mistura de cimento. Em um artigo na Physical Review Materials, eles validam esta abordagem ao apresentar os parâmetros que ditam a condutividade do material.

Nancy Soliman, o autor principal do artigo e um pós-doutorado no MIT CSHub, acredita que esta pesquisa tem potencial para adicionar uma dimensão inteiramente nova ao que já é um material de construção popular.

"Este é um modelo de primeira ordem do cimento condutor, "ela explica." E trará [o conhecimento] necessário para encorajar o aumento de escala desses tipos de materiais [multifuncionais]. "

Da nanoescala ao estado da arte

Nas últimas décadas, materiais de nanocarbono proliferaram devido à sua combinação única de propriedades, principal entre eles a condutividade. Cientistas e engenheiros já propuseram o desenvolvimento de materiais que podem conferir condutividade ao cimento e ao concreto se incorporados.

Para este novo trabalho, Soliman queria garantir que o material de nanocarbono selecionado fosse acessível o suficiente para ser produzido em escala. Ela e seus colegas optaram pelo negro de nanocarbono - um material de carbono barato com excelente condutividade. Eles descobriram que suas previsões de condutividade foram confirmadas.

“O concreto é naturalmente um material isolante, "diz Soliman, "Mas quando adicionamos partículas negras de nanocarbono, ele deixa de ser um isolante e passa a ser um material condutor. "

Ao incorporar o negro de nanocarbono em apenas 4% do volume de suas misturas, Soliman e seus colegas descobriram que poderiam atingir o limite de percolação, o ponto em que suas amostras poderiam transportar uma corrente.

Eles perceberam que essa corrente também tinha um resultado interessante:ela poderia gerar calor. Isso se deve ao que é conhecido como efeito Joule.

"O aquecimento Joule (ou aquecimento resistivo) é causado pelas interações entre os elétrons e átomos em movimento no condutor, explica Nicolas Chanut, um co-autor no artigo e um pós-doutorado no MIT CSHub. "Os elétrons acelerados no campo elétrico trocam energia cinética cada vez que colidem com um átomo, induzindo vibração dos átomos na rede, que se manifesta como calor e aumento da temperatura do material. "

Em seus experimentos, eles descobriram que mesmo uma pequena voltagem - tão baixa quanto 5 volts - poderia aumentar as temperaturas da superfície de suas amostras (aproximadamente 5 cm ³ em tamanho) até 41 graus Celsius (cerca de 100 graus Fahrenheit). Embora um aquecedor de água padrão possa atingir temperaturas comparáveis, é importante considerar como esse material seria implementado quando comparado às estratégias de aquecimento convencionais.

"Esta tecnologia pode ser ideal para aquecimento de piso radiante interno, "explica Chanut." Normalmente, o aquecimento radiante interno é feito pela circulação de água aquecida em tubulações que passam por baixo do piso. Mas esse sistema pode ser desafiador para construir e manter. Quando o próprio cimento se torna um elemento de aquecimento, Contudo, o sistema de aquecimento fica mais simples de instalar e mais confiável. Adicionalmente, o cimento oferece uma distribuição de calor mais homogênea devido à ótima dispersão das nanopartículas no material. ”

O cimento de nanocarbono pode ter várias aplicações ao ar livre, também. Chanut e Soliman acreditam que, se implementado em pavimentos de concreto, cimento de nanocarbono pode mitigar a durabilidade, sustentabilidade, e questões de segurança. Muitas dessas preocupações derivam do uso de sal para degelo.

"Na América do Norte, vemos muita neve. Para remover a neve de nossas estradas é necessário o uso de sais de degelo, que pode danificar o concreto, e contaminar as águas subterrâneas, ", observa Soliman. Os caminhões pesados ​​usados ​​para salgar estradas também são emissores pesados ​​e caros de operar.

Ao permitir o aquecimento radiante em pavimentos, cimento de nanocarbono pode ser usado para descongelar pavimentos sem sal de estrada, potencialmente economizando milhões de dólares em custos de reparos e operações, enquanto corrige as preocupações ambientais e de segurança. Em certas aplicações onde a manutenção de condições excepcionais de pavimentação é fundamental - como pistas de aeroportos - esta tecnologia pode ser particularmente vantajosa.

Fios emaranhados

Embora este cimento de última geração ofereça soluções elegantes para uma série de problemas, alcançar a multifuncionalidade apresentou uma variedade de desafios técnicos. Por exemplo, sem uma maneira de alinhar as nanopartículas em um circuito em funcionamento - conhecido como fiação volumétrica - dentro do cimento, sua condutividade seria impossível de explorar. Para garantir uma fiação volumétrica ideal, pesquisadores investigaram uma propriedade conhecida como tortuosidade.

"Tortuosidade é um conceito que introduzimos por analogia do campo da difusão, "explica Franz-Josef Ulm, um líder e co-autor no artigo, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, e o orientador do corpo docente do CSHub. "No passado, descreveu como os íons fluem. Nesse trabalho, nós o usamos para descrever o fluxo de elétrons através do fio volumétrico. "

Ulm explica a tortuosidade com o exemplo de um carro viajando entre dois pontos de uma cidade. Embora a distância entre esses dois pontos em linha reta possa ser de três quilômetros, a distância real percorrida pode ser maior devido ao circuito das ruas.

O mesmo é verdade para os elétrons que viajam pelo cimento. O caminho que eles devem seguir dentro da amostra é sempre mais longo do que o comprimento da própria amostra. O grau em que esse caminho é mais longo é a tortuosidade.

Alcançar a tortuosidade ideal significa equilibrar a quantidade e a dispersão de carbono. Se o carbono estiver muito disperso, a fiação volumétrica se tornará esparsa, levando a alta tortuosidade. De forma similar, sem carbono suficiente na amostra, a tortuosidade será muito grande para formar um direto, fiação eficiente com alta condutividade.

Mesmo a adição de grandes quantidades de carbono pode ser contraproducente. Em um determinado ponto, a condutividade deixará de melhorar e, em teoria, só aumentaria os custos se implementado em escala. Como resultado dessas complexidades, eles procuraram otimizar seus mixes.

"Descobrimos que, ao ajustar o volume de carbono, podemos atingir um valor de tortuosidade de 2, "diz Ulm." Isso significa que o caminho que os elétrons tomam é apenas o dobro do comprimento da amostra. "

Quantificar essas propriedades era vital para Ulm e seus colegas. O objetivo de seu artigo recente não era apenas provar que o cimento multifuncional era possível, mas que também era viável para produção em massa.

"O ponto principal é que, para um engenheiro pegar as coisas, eles precisam de um modelo quantitativo, "explica Ulm." Antes de misturar materiais, você deseja poder esperar certas propriedades repetíveis. Isso é exatamente o que este artigo descreve; separa o que é devido às condições de contorno - condições ambientais [estranhas] - do que realmente é devido aos mecanismos fundamentais dentro do material. "

Ao isolar e quantificar esses mecanismos, Soliman, Chanut, e Ulm esperam fornecer aos engenheiros exatamente o que eles precisam para implementar cimento multifuncional em uma escala mais ampla. O caminho que eles traçaram é promissor - e, graças ao trabalho deles, não deve ser muito tortuoso.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.