Les scientifiques de l'Université Rice ont déterminé que peu importe la taille d'un morceau de tobermorite, il répondra aux forces de charge exactement de la même manière. Mais le pousser avec une pointe acérée changera sa force.

La tobermorite est un analogue cristallin naturel du silicate de calcium hydraté (C-S-H) qui constitue le ciment, qui à son tour lie le béton, le matériau le plus utilisé au monde. On pense qu'une forme de tobermorite utilisée par les anciens Romains est la clé de la force légendaire de leurs structures en béton sous-marines.

Le matériau finement stratifié se déformera de différentes manières en fonction de la façon dont les forces standard - cisaillement, compression et tension - sont appliqués, mais la déformation sera cohérente entre les tailles d'échantillon, selon le scientifique des matériaux de riz Rouzbeh Shahsavari. Il a mené les recherches, qui apparaît dans La nature est en libre accès Rapports scientifiques , avec l'auteur principal et étudiant diplômé Lei Tao.

Pour leur dernière enquête, Shahsavari et Tao ont construit des modèles de dynamique moléculaire du matériau. Leurs simulations ont révélé trois mécanismes moléculaires clés à l'œuvre dans la tobermorite qui sont également probablement responsables de la résistance du C-S-H et d'autres matériaux en couches. L'un est un mécanisme de déplacement dans lequel les atomes sous contrainte se déplacent collectivement alors qu'ils tentent de rester en équilibre. Un autre est un mécanisme de diffusion dans lequel les atomes se déplacent de manière plus chaotique. Ils ont constaté que le matériau conserve mieux son intégrité structurelle sous cisaillement, et moins sous charge de compression puis de traction.

Plus intéressant pour les chercheurs était le troisième mécanisme, par lesquelles des liaisons entre les couches ont été formées lors de l'enfoncement d'un nanoindenteur dans le matériau. Un nanoindenteur est un appareil (simulé dans ce cas) utilisé pour tester la dureté de très petits volumes de matériaux. La contrainte élevée au point d'indentation a provoqué des transformations de phase locales dans lesquelles la structure cristalline du matériau s'est déformée et a créé des liaisons fortes entre les couches, un phénomène non observé sous des forces standard. La force de la liaison dépend à la fois de la quantité de force et, contrairement aux facteurs de stress à grande échelle, la taille de la pointe.

"Il y a un stress important juste en dessous de la petite pointe du nanoindenteur, " a déclaré Shahsavari. "Cela relie les couches voisines. Une fois la pointe retirée, la structure ne revient pas à la configuration d'origine. C'est important :ces transformations sont irréversibles.

"En plus de fournir une compréhension fondamentale des principaux mécanismes de déformation, ce travail révèle la véritable réponse mécanique du système sous de petites charges localisées (par rapport aux charges conventionnelles), comme la nanoindentation, " dit-il. " Si changer la taille de la pointe (et donc la topologie interne) va modifier la mécanique, par exemple, rendre le matériau plus solide, alors on peut utiliser cette fonctionnalité pour mieux concevoir le système pour des charges localisées particulières. »

Shahsavari est professeur adjoint de génie civil et environnemental et de science des matériaux et nano-ingénierie.