Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado esferas de silicato de calcio del tamaño de micras que podrían conducir a un concreto más fuerte y más verde, el material sintético más utilizado en el mundo.
Para el científico de materiales de Rice Rouzbeh Shahsavari y el estudiante graduado Sung Hoon Hwang, las esferas representan bloques de construcción que pueden fabricarse a bajo costo y prometen mitigar las técnicas intensivas en energía que ahora se usan para hacer cemento, el aglutinante más común en el concreto.
Los investigadores formaron las esferas en una solución alrededor de semillas a nanoescala de un tensioactivo similar a un detergente común. Se puede hacer que las esferas se autoensamblen en sólidos que son más fuertes, más duros, más elásticos y más duraderos que el omnipresente cemento Portland.
"El cemento no tiene la mejor estructura", dijo Shahsavari, profesor asistente de ciencia de materiales y nanoingeniería. "Las partículas de cemento son amorfas y desorganizadas, lo que lo hace un poco vulnerable a las grietas. Pero con este material, sabemos quénuestros límites son y podemos canalizar polímeros u otros materiales entre las esferas para controlar la estructura de abajo hacia arriba y predecir con mayor precisión cómo podría fracturarse ".
Dijo que las esferas son adecuadas para ingeniería de tejido óseo, aislamiento, aplicaciones cerámicas y compuestas, así como cemento.
La investigación aparece en la revista American Chemical Society Langmuir .
El trabajo se basa en un proyecto de 2017 de Shahsavari y Hwang para desarrollar materiales de autocuración con esferas de silicato de calcio microscópicas porosas. El nuevo material no es poroso, ya que una cubierta de silicato de calcio sólido rodea la semilla del surfactante.
Pero al igual que el proyecto anterior, se inspiró en cómo la naturaleza coordina las interfaces entre materiales diferentes, particularmente en nácar también conocido como nácar, el material de las conchas marinas. La fuerza del nácar es el resultado de alternar plaquetas orgánicas inorgánicas y orgánicas blandas.las esferas imitan esa estructura, se consideran biomiméticas.
Los investigadores descubrieron que podían controlar el tamaño de las esferas que oscilaban entre 100 y 500 nanómetros de diámetro manipulando tensioactivos, soluciones, concentraciones y temperaturas durante la fabricación. Eso les permite ser ajustados para aplicaciones, dijo Shahsavari.
"Estos son bloques de construcción muy simples pero universales, dos rasgos clave de muchos biomateriales", dijo Shahsavari. "Permiten funcionalidades avanzadas en materiales sintéticos. Anteriormente, hubo intentos de hacer bloques de construcción de plaquetas o fibras para materiales compuestos, pero esto funcionausa esferas para crear materiales biomiméticos fuertes, resistentes y adaptables.
"Las formas de esfera son importantes porque son mucho más fáciles de sintetizar, autoensamblar y escalar desde la química y los puntos de vista de fabricación a gran escala".
En las pruebas, los investigadores utilizaron dos tensioactivos comunes para hacer esferas y comprimieron sus productos en gránulos para la prueba. Aprendieron que los gránulos basados en DTAB se compactaban mejor y eran más resistentes, con un módulo elástico más alto, que los gránulos CTAB o el cemento común.También mostraron alta resistencia eléctrica.
Shahsavari dijo que el tamaño y la forma de las partículas en general tienen un efecto significativo sobre las propiedades mecánicas y la durabilidad de los materiales a granel como el concreto. "Es muy beneficioso tener algo que pueda controlar en lugar de un material que sea aleatorio por naturaleza,"Él dijo." Además, uno puede mezclar esferas con diferentes diámetros para llenar los espacios entre las estructuras autoensambladas, lo que lleva a mayores densidades de empaquetamiento y, por lo tanto, propiedades mecánicas y de durabilidad ".
Dijo que aumentar la resistencia del cemento permite a los fabricantes usar menos concreto, disminuyendo no solo el peso sino también la energía requerida para fabricarlo y las emisiones de carbono asociadas con la fabricación del cemento. Debido a que las esferas se empaquetan de manera más eficiente que las partículas irregulares que se encuentran en el cemento común, el material resultante será más resistente a los iones dañinos del agua y otros contaminantes y debería requerir menos mantenimiento y un reemplazo menos frecuente.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Original escrito por Mike Williams. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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