Une pointe de calcium-silicate-hydrate (alias ciment) plane au-dessus d'une surface lisse de tobermorite dans une simulation informatique réalisée par des scientifiques de l'Université Rice. Les chercheurs ont étudié comment les forces au niveau atomique dans les systèmes particulaires interagissent lorsqu'un frottement est appliqué. Leurs calculs montrent que ces matériaux peuvent être améliorés pour des applications spécifiques en contrôlant les propriétés de liaison chimique des matériaux. Crédit :Groupe Shahsavari/Université Rice
Même en construisant grand, chaque atome compte, selon de nouvelles recherches sur les matériaux à base de particules à l'Université Rice.
Les chercheurs du riz Rouzbeh Shahsavari et Saroosh Jalilvand ont publié une étude montrant ce qui se passe à l'échelle nanométrique lorsque des matériaux "structurellement complexes" comme le béton - un fouillis aléatoire d'éléments plutôt qu'un cristal ordonné - se frottent les uns contre les autres. Les rayures qu'ils laissent derrière eux peuvent en dire long sur leurs caractéristiques.
Les chercheurs sont les premiers à effectuer des calculs sophistiqués qui montrent comment les forces au niveau atomique affectent les propriétés mécaniques d'un matériau complexe à base de particules. Leurs techniques suggèrent de nouvelles façons d'affiner la chimie de ces matériaux pour les rendre moins sujets à la fissuration et mieux adaptés à des applications spécifiques.
La recherche apparaît dans la revue American Chemical Society Matériaux appliqués et interfaces .
L'étude a utilisé du silicate de calcium hydraté (C-S-H), alias ciment, comme modèle de système particulaire. Shahsavari s'est familiarisé avec le C-S-H en participant à la construction des premiers modèles à l'échelle atomique du matériau.
C-S-H est la colle qui lie les petites roches, gravier et sable dans le béton. Bien qu'il ressemble à une pâte avant durcissement, il se compose de particules nanométriques discrètes. Les forces de van der Waals et de Coulombic qui influencent les interactions entre le C-S-H et les particules plus grosses sont la clé de la résistance globale et des propriétés de rupture du matériau, dit Shahsavari. Il a décidé d'examiner de près ces mécanismes et d'autres à l'échelle nanométrique.
"Les études classiques du frottement sur les matériaux existent depuis des siècles, " dit-il. " On sait que si vous rendez une surface rugueuse, la friction va augmenter. C'est une technique courante dans l'industrie pour empêcher le glissement :les surfaces rugueuses se bloquent les unes les autres.
"Ce que nous avons découvert, c'est que, en plus de ces techniques courantes de dégrossissage mécanique, modulation de la chimie de surface, ce qui est moins intuitif, peut affecter de manière significative le frottement et donc les propriétés mécaniques du système particulaire.
Shahsavari a déclaré que c'est une idée fausse que la quantité en vrac d'un seul élément, par exemple, calcium dans C-S-H—contrôle directement les propriétés mécaniques d'un système particulaire. "Nous avons découvert que ce qui contrôle les propriétés à l'intérieur des particules peut être complètement différent de ce qui contrôle leurs interactions de surface, " dit-il. Alors qu'une plus grande teneur en calcium à la surface améliorerait la friction et donc la résistance de l'assemblage, une teneur en calcium plus faible serait bénéfique pour la résistance des particules individuelles.
"Cela peut sembler contradictoire, mais il suggère que pour obtenir des propriétés mécaniques optimales pour un système de particules, de nouvelles conditions de synthèse et de transformation doivent être imaginées pour placer les éléments aux bons endroits, " il a dit.
Un regard de haut en bas sur la pointe d'une sonde de ciment virtuelle montre la position des atomes, dominé par le calcium et le silicate. Des chercheurs de l'Université Rice ont utilisé des simulations pour montrer que la composition chimique des systèmes particulaires affecte la résistance de leur matériau en simulant le frottement avec diverses surfaces. Crédit :Shahsavari Group/Rice University
Les chercheurs ont également découvert que la contribution de l'attraction naturelle de van der Waals entre les molécules était bien plus importante que les forces coulombiennes (électrostatiques) dans le C-S-H. Cette, trop, était principalement due au calcium, dit Shahsavari.
Pour tester leurs théories, Shahsavari et Jalilvand ont construit des modèles informatiques de C-S-H rugueux et de tobermorite lisse. Ils ont fait glisser une pointe virtuelle du premier sur le dessus du second, gratter la surface pour voir à quel point ils auraient à pousser ses atomes pour les déplacer. Leurs simulations de rayures leur ont permis de décoder les forces clés et la mécanique impliquées ainsi que de prédire la ténacité inhérente à la rupture de la tobermorite, chiffres confirmés par les expériences des autres.
Shahsavari a déclaré que l'analyse au niveau atomique pourrait aider à améliorer une large gamme de matériaux non cristallins, y compris la céramique, sables, poudres, grains et colloïdes.
