Le bon mélange de liaisons hydrogène dans les composites polymères et cimentaires est essentiel pour fabriquer des matériau d'infrastructure dur et ductile, selon les scientifiques de l'Université Rice qui veulent imiter la mécanique de la nacre et des composites naturels similaires avec des matériaux synthétiques.

Coquillages en nacre, alias nacre, tirent leurs propriétés remarquables du chevauchement de la taille du micron, plaques minéralisées maintenues ensemble par une matrice molle. Cette structure peut être approchée par des composites ciments et polymères qui peuvent, par exemple, faire un meilleur béton antisismique, selon Rouzbeh Shahsavari, professeur assistant en génie civil et environnemental.

Le laboratoire Rice a effectué plus de 20 simulations informatiques sur la façon dont les polymères et les molécules de ciment se réunissent à l'échelle nanométrique et sur ce qui motive leur adhésion. Les chercheurs ont montré que la proximité des atomes d'oxygène et d'hydrogène est le facteur critique dans la formation d'un réseau de liaisons hydrogène faibles qui relient les couches molles et dures. L'acide polyacrylique commun (PAA) s'est avéré le meilleur pour lier les couches superposées de cristaux de ciment avec un chevauchement optimal d'environ 15 nanomètres.

"Ces informations sont importantes pour fabriquer les meilleurs composites synthétiques, " dit Shahsavari, qui a dirigé le projet avec l'étudiant diplômé de Rice, Navid Sakhavand. "Une approche d'ingénierie moderne de ces matériaux aura un impact important sur la société, d'autant plus que nous construisons de nouvelles infrastructures et remplaçons des infrastructures vieillissantes. »

Les résultats du laboratoire apparaissent dans Lettres de physique appliquée .

Alors que les ingénieurs comprennent que l'ajout de polymères améliore le ciment en bloquant les effets néfastes des ions « agressifs » qui envahissent ses pores, les détails sur la façon dont les matériaux interagissent à l'échelle moléculaire sont restés inconnus, dit Shahsavari. Découvrir, les chercheurs ont modélisé des composites avec du PAA ainsi que de l'alcool polyvinylique (PVA), les deux matériaux à matrice molle qui ont été utilisés pour améliorer le ciment.

Ils ont découvert que les deux atomes d'oxygène différents du PAA (par opposition à un seul dans le PVA) lui permettaient de recevoir et de donner des ions en se liant à l'hydrogène dans les cristaux de ciment tobermorite. L'oxygène dans le PAA avait huit façons de se lier à l'hydrogène (six pour le PVA) et pouvait également participer au pontage salin entre le polymère et le ciment, ce qui rend le réseau de liaison encore plus complexe.

Les chercheurs ont testé leurs structures simulées en faisant glisser des couches de polymère et de ciment les unes contre les autres et ont découvert que la complexité permettait aux liaisons entre le PAA et le ciment de se rompre et de se reconnecter plus fréquemment lorsque le matériau était soumis à des contraintes. ce qui augmente considérablement sa ténacité, la capacité de se déformer sans se fracturer. Cela a permis aux chercheurs de déterminer le chevauchement optimal entre les cristaux de ciment.

"Contrairement à l'intuition commune selon laquelle les liaisons hydrogène sont faibles, quand le bon nombre d'entre eux - le chevauchement optimal - coopèrent, ils fournissent une connectivité suffisante dans le composite pour conférer une résistance élevée et une ténacité élevée, " a déclaré Shahsavari. " D'un point de vue expérimental, cela peut être fait en ajustant et en contrôlant soigneusement l'ajout des polymères avec le bon poids moléculaire tout en contrôlant la formation de minéraux de ciment. En effet, un article expérimental récent de nos collègues a montré une preuve de concept vers cette stratégie. »