La combinación correcta de enlaces de hidrógeno en los compuestos de polímero y cemento es fundamental para fabricar material de infraestructura fuerte, resistente y dúctil, según los científicos de la Universidad de Rice que quieren imitar la mecánica de los compuestos naturales de nácar y similares con materiales sintéticos.
Las conchas marinas de nácar, también conocido como nácar, obtienen sus notables propiedades de la superposición de placas mineralizadas del tamaño de micras unidas por una matriz blanda. Esta estructura puede ser abordada por compuestos de cemento y polímero que, por ejemplo, pueden hacermejor hormigón resistente a los terremotos, según Rouzbeh Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental.
El laboratorio de Rice realizó más de 20 simulaciones por computadora de cómo los polímeros y las moléculas de cemento se unen a nanoescala y qué impulsa su adhesión. Los investigadores demostraron que la proximidad de los átomos de oxígeno e hidrógeno es el factor crítico para formar una red de hidrógeno débilenlaces que conectan capas blandas y duras. El ácido poliacrílico común PAA demostró ser el mejor para unir las capas superpuestas de cristales de cemento con una superposición óptima de aproximadamente 15 nanómetros.
"Esta información es importante para hacer los mejores compuestos sintéticos", dijo Shahsavari, quien dirigió el proyecto con el estudiante graduado de Rice, Navid Sakhavand. "Un enfoque de ingeniería moderno para estos materiales tendrá un gran impacto en la sociedad, especialmente a medida que construimos nuevosy reemplazar infraestructura obsoleta ".
Los resultados del laboratorio aparecen en letras de física aplicada .
Si bien los ingenieros entienden que agregar polímeros mejora el cemento al bloquear los efectos dañinos de los iones "agresivos" que invaden sus poros, los detalles sobre cómo interactúan los materiales a escala molecular han permanecido desconocidos, dijo Shahsavari. Para averiguarlo, los investigadores modelaron compuestoscon PAA y con alcohol polivinílico PVA, ambos materiales de matriz blanda que se han utilizado para mejorar el cemento.
Descubrieron que los dos átomos de oxígeno diferentes en PAA en oposición a uno en PVA le permitieron recibir y donar iones al unirse con hidrógeno en los cristales de cemento de tobermorita. El oxígeno en PAA tenía ocho formas de unirse con hidrógeno seis para PVA y también podría participar en el puente de sal entre el polímero y el cemento, lo que hace que la red de unión sea aún más compleja.
Los investigadores probaron sus estructuras simuladas deslizando capas de polímero y cemento una contra la otra y encontraron que la complejidad permitía que las uniones entre PAA y cemento se rompieran y reconectaran con más frecuencia a medida que el material se tensionaba, lo que aumenta significativamente su tenacidad, la capacidaddeformarse sin fracturarse, lo que permitió a los investigadores determinar la superposición óptima entre los cristales de cemento.
"En contraste con la intuición común de que los enlaces de hidrógeno son débiles, cuando el número correcto de ellos, la superposición óptima, cooperan, proporcionan conectividad suficiente en el compuesto para conferir alta resistencia y alta tenacidad", dijo Shahsavari ".Desde un punto de vista experimental, esto se puede hacer ajustando y controlando cuidadosamente la adición de los polímeros con el peso molecular correcto mientras se controla la formación de minerales de cemento. De hecho, un artículo experimental reciente de nuestros colegas mostró una prueba de concepto hacia esta estrategia ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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