Emballé, Les sphères de silicate de calcium à l'échelle du micron développées à l'Université Rice sont un matériau prometteur qui pourrait conduire à un béton plus résistant et plus respectueux de l'environnement. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
Les scientifiques de l'Université Rice ont développé des sphères de silicate de calcium de la taille d'un micron qui pourraient conduire à un béton plus solide et plus vert, le matériau synthétique le plus utilisé au monde.
Au scientifique des matériaux de riz Rouzbeh Shahsavari et à l'étudiant diplômé Sung Hoon Hwang, les sphères représentent des blocs de construction qui peuvent être fabriqués à faible coût et promettent d'atténuer les techniques énergivores maintenant utilisées pour fabriquer du ciment, le liant le plus courant dans le béton.
Les chercheurs ont formé les sphères dans une solution autour de graines nanométriques d'un tensioactif courant semblable à un détergent. Les sphères peuvent être amenées à s'auto-assembler en solides plus solides, Plus fort, plus élastique et plus durable que le ciment Portland omniprésent.
"Le ciment n'a pas la plus belle structure, " dit Shahsavari, professeur adjoint de science des matériaux et de nano-ingénierie. "Les particules de ciment sont amorphes et désorganisées, ce qui le rend un peu vulnérable aux fissures. Mais avec ce matériel, nous connaissons nos limites et nous pouvons canaliser des polymères ou d'autres matériaux entre les sphères pour contrôler la structure de bas en haut et prédire avec plus de précision comment elle pourrait se fracturer."
Il a dit que les sphères conviennent à l'ingénierie du tissu osseux, isolation, applications céramiques et composites ainsi que ciment.
La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society Langmuir .
Le travail s'appuie sur un projet de 2017 de Shahsavari et Hwang pour développer des matériaux auto-cicatrisants avec poreux, sphères microscopiques de silicate de calcium. Le nouveau matériau n'est pas poreux, comme une enveloppe solide de silicate de calcium entoure la graine de tensioactif.
Des sphères de silicate de calcium synthétisées à l'Université Rice et emballées dans une pastille tiennent ensemble sous compression. Les sphères sont des blocs de construction qui peuvent être fabriqués à faible coût et promettent d'atténuer les techniques énergivores maintenant utilisées pour fabriquer du ciment, le liant le plus courant dans le béton. Crédit :Laboratoire des matériaux multi-échelles/Université du riz
Mais comme le projet précédent, il a été inspiré par la façon dont la nature coordonne les interfaces entre des matériaux différents, notamment en nacre (alias nacre), la matière des coquillages. La force de la nacre est le résultat de l'alternance de plaquettes inorganiques rigides et organiques molles. Parce que les sphères imitent cette structure, ils sont considérés comme biomimétiques.
Les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient contrôler la taille des sphères allant de 100 à 500 nanomètres de diamètre en manipulant des tensioactifs, solutions, concentrations et températures pendant la fabrication. Cela leur permet d'être réglés pour les applications, dit Shahsavari.
"Ce sont des blocs de construction très simples mais universels, deux traits clés de nombreux biomatériaux, " a déclaré Shahsavari. " Ils permettent des fonctionnalités avancées dans les matériaux synthétiques. Précédemment, il y a eu des tentatives pour fabriquer des blocs de construction en plaquettes ou en fibres pour les composites, mais cela fonctionne utilise des sphères pour créer fort, matériaux biomimétiques résistants et adaptables.
« Les formes des sphères sont importantes car elles sont beaucoup plus faciles à synthétiser, s'auto-assemble et s'adapte du point de vue de la chimie et de la fabrication à grande échelle."
Dans les essais, les chercheurs ont utilisé deux tensioactifs courants pour fabriquer des sphères et ont comprimé leurs produits en pastilles pour les tests. Ils ont appris que les granulés à base de DTAB se compactaient mieux et étaient plus résistants, avec un module élastique plus élevé, que les pastilles CTAB ou le ciment commun. Ils ont également montré une résistance électrique élevée.
Shahsavari a déclaré que la taille et la forme des particules en général ont un effet significatif sur les propriétés mécaniques et la durabilité des matériaux en vrac comme le béton. "C'est très bénéfique d'avoir quelque chose que vous pouvez contrôler par opposition à un matériau qui est aléatoire par nature, " dit-il. " Plus loin, on peut mélanger des sphères de diamètres différents pour combler les interstices entre les structures auto-assemblées, conduisant à des densités de tassement plus élevées et donc à des propriétés mécaniques et de durabilité."
Il a déclaré que l'augmentation de la résistance du ciment permet aux fabricants d'utiliser moins de béton, diminuant non seulement le poids mais aussi l'énergie nécessaire à sa fabrication et les émissions de carbone associées à la fabrication du ciment. Parce que les sphères s'emballent plus efficacement que les particules déchiquetées trouvées dans le ciment commun, le matériau résultant sera plus résistant aux ions nocifs de l'eau et d'autres contaminants et devrait nécessiter moins d'entretien et un remplacement moins fréquent.
