Исследователи обращаются к природе для создания более прочного бетона.
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) надеются перестроить бетон, следуя природным схемам. Исходя из своих наблюдений прочных природных структур, таких как кости, раковины и глубоководные губки, команда предложила подход «снизу вверх» к проектированию цементного теста, связующего ингредиента в бетоне, который требует затрат огромного количества энергии для производства.

«Эти материалы собраны из простых компонентов, организованных в сложные геометрические конфигурации, которые интересно наблюдать. Мы хотим увидеть какие виды микромеханизмов существуют внутри них и обеспечивают такие превосходные свойства. Тогда мы можем применить аналогичный многокомпонентный подход к бетону,» – сказали ученые.

Прочность и долговечность бетона частично зависит от его внутренней структуры и конфигурации пор – чем более рыхлый материал, тем более он подвержен образованию трещин. Тем не менее, не существует никаких методов для точного управления внутренней структурой бетона и его общими свойствами.

«Мы имеем дело с молекулами, с одной стороны, и созданием структур порядка километров в длину, с другой стороны,» – добавляют исследователи.

Для начала, чтобы понять эту связь, ученые изучали биологические материалы и сравнивали их структуру и поведение на нано-, микро- и макромасштабах с цементным тестом.

Во время этого исследования они обнаружили, что лук-подобная структура расположения кремнеземных слоев глубоководной морской губки обеспечивает механизм для предотвращения трещин. В перламутре расположение минералов происходит по типу «кирпич и известковый раствор», который создает прочную связь между слоями, что делает материал чрезвычайно жестким.

Применяя полученную информацию при исследовании биологических материалов, а также знания, основанные на существующем процессе проектирования цементного теста, команда разработала общую методику для инженеров для создания цемента по принципу «снизу вверх».

Методика является в основном набором руководящих принципов, которым инженеры могут следовать, чтобы понять как определенные добавки или ингредиенты будут влиять на общую прочность и долговечность цемента. Инженеры затем могли бы включить эти измерения в модели долгосрочного поведения бетона. Эти расчеты могут быть проверены с помощью обычных экспериментов на сжатие реальных образцов “биовдохновленного” бетона.

«Слияние теории, вычислений, нового синтеза и методов определения характеристик позволили создать подход, который, скорее всего, изменит способ производства бетона навсегда», – говорят исследователи. – «Это может привести к созданию более прочных дорог, мостов, сооружений и уменьшить выбросы углерода.»