21 Марта 2018

Природный цемент повышенной прочности



Наш цемент, который значительно более устойчив к разрушению, чем все, что было разработано до сих пор, дает нам совершенно новые возможности для строительства. Столбец из этого цемента может быть построен на высоте 8 000 метров или в десять раз выше нынешнего самого высокого здания в мире, прежде чем материал на его базе будет разрушен его же весом. Нормальная сталь, которая имеет значение 250 мегапаскалей, может достигать лишь 3000 метров в высоту.

В нанонауке архитектура кирпичной стены можно сравнить с работой каменщика: каждый слой кирпича, который укладывается, удерживается на месте раствором. Руководящим принципом является слой твердых, а затем мягких, твердых, а затем мягких материалов. Это именно тот принцип, который используется для того, чтобы сделать шипы морских ежей настолько устойчивыми. Когда к хрупкому кальциту приложено давление, его кристаллический блок действительно трескается, однако энергия затем переносится в мягкий неупорядоченный слой. Поскольку этот материал не имеет плоскостей расщепления для разрыва, он предотвращает дальнейшее растрескивание. Тонкий участок позвоночника морского ежа раскрывает этот структурный принцип: кристаллические блоки в упорядоченной структуре окружены более мягкой аморфной областью. В случае морского ежа этот материал представляет собой карбонат кальция.


Раковины или кости мидий построены почти так же. «Наша цель - учиться у природы», - говорит Хельмут Кёльфен. Бионика или биомиметика - это термин, используемый в природных явлениях для развития технических разработок.

Цемент сам по себе имеет неупорядоченную структуру - каждый компонент прилипает ко всем остальным. Это означает: для того, чтобы цемент действительно получал усиление от повышенной стабильности, обеспечиваемой строительством кирпича и строительного раствора, его структура должна быть реорганизована на наноуровне. Хельмут Кёльфен описывает этот процесс как «кодирующее сопротивление разрушению на наноуровне». В этом случае это означает идентификацию материала, который связывается только с цементными наночастицами и ничем иным в цементе. Было обнаружено около десяти отрицательно заряженных пептидных комбинаций, которые хорошо прилипают к и связывают материалы.

В сотрудничестве с Штутгартским университетом команда смогла использовать ионный пучок под электронным микроскопом, чтобы вырезать микроструктуру в виде стержня из наноструктурированного цемента размером в три микрометра. Затем эту микроструктуру изгибали с использованием микроманипулятора. Как только он был выпущен, микроструктура вернулась в исходное положение. Механические значения могут быть рассчитаны на основе упругой деформации микроструктуры. Исходя из этих расчетов, оптимизированный цемент достиг значения 200 мегапаскалей. Для сравнения: раковины Mussel, которые являются золотым стандартом сопротивления разрушению, достигают значения 210 мегапаскалей, что лишь немного выше. Бетон, обычно используемый сегодня, имеет значение от двух до пяти мегапаскалей.

Если нам удастся разработать структуры материалов и воспроизвести чертежи природы, мы также сможем производить гораздо больше материалов, устойчивых к разрушению, - высокоэффективные материалы, вдохновленные природой, это ли не технологии будущего?