Мелкозернистые сферы силиката кальция могут помочь создать более прочный, более экологически чистый бетон, заявляют ученые из Университета Райса в Хьюстоне, штат Техас.

Материаловед Рузбех Шахсавари и аспирант Сун Хун Хван сформировали сферы в растворе вокруг наноразмерных семян обычного моющего средства, подобного поверхностно-активному веществу. По словам Райса, сферам может быть предложено самоорганизоваться в твердые тела, которые сильнее, тверже, эластичнее и прочнее, чем портландцемент.

«Цемент не имеет красивой структуры, - сказал Шахсавари, доцент по материаловедению и наноинженерии. «Частицы цемента являются аморфными и дезорганизованными, что делает его немного уязвимым для трещин. Но с этим материалом мы знаем, каковы наши пределы, и мы можем направлять полимеры или другие материалы между сферами, чтобы контролировать структуру снизу вверх и точно предсказать, как она может разрушиться ».

Кроме того, Шахсавари сказал, что сферы подходят для инженерии костей, тканей, керамики и композитов, а также для цемента. Исследование появилось в Langmuir.

Исследователи обнаружили, что они могут контролировать размер сфер - от 100 до 500 нанометров в диаметре - манипулируя поверхностно-активными веществами, растворами, концентрациями и температурами во время производства.

«Это очень простые, но универсальные строительные блоки, две ключевые черты многих биоматериалов», - сказал Шахсавари. «Они обеспечивают расширенные функциональные возможности в синтетических материалах. Раньше предпринимались попытки изготовления композитных материалов из тромбоцитов или волокон, но в этих работах используются сферы для создания прочных, жестких и адаптируемых биомиметических материалов.

«Формы сферы важны, потому что их намного легче синтезировать, они могут самоорганизовываться и расширяться от химии и крупномасштабных производственных точек».

В тестах исследователи использовали два обычных поверхностно-активных вещества для создания сфер и сжатия их продуктов в гранулы для тестирования. Они обнаружили, что гранулы на основе DTAB лучше всего уплотняются и более жесткие, с более высоким модулем упругости, чем гранулы CTAB или общий цемент. Они также показали высокое электрическое сопротивление.

Шахсавари сказал, что размер и форма частиц в целом оказывают значительное влияние на механические свойства и долговечность сыпучих материалов, таких как бетон. «Очень полезно иметь что-то, что вы можете контролировать, а не материал, случайный по своей природе», - сказал он в своем заявлении. «Кроме того, можно смешивать сферы с разными диаметрами, чтобы заполнить промежутки между самоорганизованными структурами, что приведет к более высокой плотности упаковки и, следовательно, к механическим и долговечным свойствам».

По словам Шахсавари, увеличение прочности цемента позволит производителям использовать меньше бетона, уменьшающийся вес, необходимую энергию для его производства и выбросы углерода, связанные с производством цемента. Поскольку сферы упаковывают более эффективно, чем оборванные частицы, обнаруженные в общем цементе, полученный материал будет более устойчивым к повреждению ионов из воды и других загрязнителей и должен требовать меньшего обслуживания и менее частой замены.