Εμπνευσμένοι από τη φύση, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Princeton δημιούργησαν ένα νέο υλικό που ξεπερνά τη συμβατική πάστα τσιμέντου σε αντοχή στη ρωγμάτωση και διαθέτει αυξημένη ολκιμότητα.
Εμπνευσμένοι από το υλικό που συνθέτουν τα κοχύλια των στρειδιών και των abalones της θάλασσας, μηχανικοί στο Princeton δημιούργησαν ένα νέο τσιμέντο που είναι 17 φορές πιο ανθεκτικό στις ρωγμές από το τυπικό τσιμέντο και 19 φορές πιο όλκιμο. Τα ευρήματα των επιστημόνων θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην αύξηση της αντοχής στη ρωγμάτωση μιας ευρείας γκάμας εύθραυστων κεραμικών υλικών, από το σκυρόδεμα έως την πορσελάνη.
«Εάν μπορούμε να κατασκευάσουμε σκυρόδεμα με μεγάλη αντίσταση στη ρωγμάτωση, μπορούμε να το κάνουμε πιο σκληρό, ασφαλές και πιο ανθεκτικό», δήλωσε ο ερευνητής Shashank Gupta, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο Reza Moini στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος.
Σε επιστημονικό άρθρο που δημοσιεύτηκε στις 10 Ιουνίου 2024 στο περιοδικό Advanced Functional Materials, η ερευνητική ομάδα της οποίας ηγείται ο Moini, επίκουρος καθηγητής Πολιτικής και Περιβαλλοντικής Μηχανικής, αναφέρεται ότι η δημιουργία εναλλασσόμενων στρωμάτων πάστας τσιμέντου και λεπτού πολυμερούς μπορεί να αυξήσει σημαντικά την αντίσταση του σκυροδέματος στη ρωγμάτωση και την ικανότητα παραμόρφωσης (ολκιμότητα), χωρίς να επέρχεται θραύση.
Το εργαστήριο του Moini συχνά αναζητά έμπνευση στη βιολογία για την έρευνα του γύρω από καινοτόμα δομικά υλικά. Σε αυτή την περίπτωση, η ομάδα ανέπτυξε ένα σύνθετο υλικό εμπνευσμένο από ένα φυσικό υλικό που ονομάζεται μαργαριταρόριζα (nacre), το οποίο βρίσκεται μέσα σε ορισμένα κοχύλια. Ο Gupta είπε ότι, σε μικροσκοπικό επίπεδο, το nacre αποτελείται από εξαγωνικά δισκία του σκληρού ορυκτού αραγωνίτη, συνδεδεμένα μεταξύ τους με ένα μαλακό βιοπολυμερές.
Τα δισκία αραγωνίτη συμβάλλουν σημαντικά στην αντοχή του nacre, ενώ το βιοπολυμερές προσθέτει ευελιξία και αντοχή στις ρωγμές. Ο μηχανισμός σκλήρυνσης περιλαμβάνει την ολίσθηση των δισκίων αραγωνίτη υπό πίεση, γεγονός που, μαζί με άλλους μηχανισμούς, επιτρέπει στο nacre να αποσβένει την ενέργεια. Αυτή η ολισθαίνουσα δράση, σε συνδυασμό με την αποτροπή σχηματισμού ρωγμών και την παραμόρφωση του βιοπολυμερούς, επιτρέπει στο nacre να αντέχει σε σημαντική μηχανική καταπόνηση, διατηρώντας παράλληλα τη δομική του ακεραιότητα, καθιστώντας το ταυτόχρονα ισχυρό και ελαστικό.
«Η συνέργεια μεταξύ των σκληρών και μαλακών υλικών είναι το κλειδί για τις αξιοσημείωτες μηχανικές ιδιότητες του nacre», εξηγεί ο Gupta.
Η ομάδα του Princeton έχει αναπτύξει μέσω της συγκεκριμένης έρευνας καινοτόμα σύνθετα υλικά εμπνευσμένα από το nacre, χρησιμοποιώντας συμβατικά δομικά υλικά όπως η πάστα τσιμέντου Portland σε συνδυασμό με περιορισμένη ποσότητα πολυμερούς. Για παράδειγμα, σε μία εφαρμογή εναλλάσσουν στρώματα φύλλων τσιμεντοπολτού με ένα πολύ ελαστικό πολυμερές, την πολυβινυλοσιλοξάνη (polyvinyl siloxane).
Οι ερευνητές δημιούργησαν μικρές δοκούς πολλαπλών στρωμάτων εναλλάσσοντας φύλλα τσιμεντοπολτού με λεπτά στρώματα πολυμερούς. Οι δοκοί που προέκυψαν από τη συγκεκριμένη διαδικασία υποβλήθηκαν στη συνέχεια σε μια δοκιμή κάμψης τριών σημείων, όπου κάθε δοκός δοκιμάστηκε υπό κάμψη για να αξιολογηθεί η αντοχή της στη θραύση.
Στο πείραμα, οι ερευνητές παρήγαγαν τρεις τύπους δοκών. Ο πρώτος τύπος αποτελούνταν από εναλλασσόμενες στρώσεις φύλλων τσιμεντοπολτού και λεπτού πολυμερούς. Για τον δεύτερο τύπο, χρησιμοποίησαν λέιζερ για να χαράξουν εξαγωνικές αυλακώσεις στα φύλλα τσιμεντοπολτού. Αυτά τα αυλακωτά φύλλα στη συνέχεια στοιβάχτηκαν με λεπτές στρώσεις πολυμερούς ενδιάμεσα.
Ο τρίτος τύπος ήταν παρόμοιος με τον δεύτερο, αλλά οι ερευνητές έκοψαν εντελώς το τσιμέντο, δημιουργώντας ξεχωριστά εξαγωνικά δισκία συνδεδεμένα με το στρώμα πολυμερούς. Αυτές τα δισκία πάστας τσιμέντου εναποτίθενται στην επιφάνεια του πολυμερούς στρώματος, παρόμοια με τον τρόπο που ο αραγωνίτης εναποτίθεται στο στρώμα βιοπολυμερούς στο nacre. Αυτοί οι τρεις τύποι σύνθετων υλικών συγκρίθηκαν με ένα αντίστοιχο στερεό (μονολιθικό) χυτό τσιμεντοπολτό αναφοράς.
Τα πειράματα αποκάλυψαν ότι η αστοχία των δοκών αναφοράς ήταν ψαθυρού τύπου, το οποίο σημαίνει ότι οι δοκοί έσπασαν ξαφνικά όταν έφτασαν στο σημείο αστοχίας τους, χωρίς να επιδείξουν κάποια ολκιμότητα. Οι δοκοί με εναλλασσόμενες στρώσεις, τόσο αυλακωτές όσο και μη, επέδειξαν αυξημένη ολκιμότητα και αντοχή στη ρωγμάτωση.
Τα πιο σημαντικά αποτελέσματα παρατηρήθηκαν στις δοκούς με πλήρως διαχωρισμένα εξαγωνικά δισκία, οι οποίες μοιάζουν με το nacre. Αυτές οι δοκοί παρουσίασαν 19 φορές μεγαλύτερη ολκιμότητα και 17 φορές μεγαλύτερη αντοχή σε θραύση, ενώ διατηρούσαν σχεδόν την ίδια αντοχή με τη δοκό συμπαγούς τσιμεντοπολτού.
«Η προσέγγιση μας για την κατασκευή σύνθετων υλικών βιολογικής έμπνευσης δε βασίζεται απλώς στο να μιμούμαστε τη μικροδομή της φύσης, αλλά στόχος είναι να μάθουμε από τις βασικές της αρχές και να τις χρησιμοποιήσουμε για να αναβαθμίσουμε τη μηχανική των ανθρωπογενώς παραγόμενων υλικών. Ένας από τους βασικούς μηχανισμούς που κάνει ένα κέλυφος από nacre ανθεκτικό είναι η ολίσθηση των δισκίων σε κλίμακα νανομέτρου. Σε αυτή την περίπτωση εστιάζουμε στο μηχανισμό της ολίσθησης των δισκίων, εκμεταλλευόμενοι την κυψελοειδή μορφή της πάστας τσιμέντου σε ισορροπία με τις ιδιότητες του πολυμερούς και τη διεπαφή μεταξύ τους», λέει ο Moini. «Με άλλα λόγια, σχεδιάζουμε σκόπιμα ελαττώματα δομής στα εύθραυστα υλικά ως τρόπο να τα κάνουμε πιο ανθεκτικά».
Οι ερευνητές σημείωσαν ότι τα ευρήματα βασίζονται σε εργαστηριακές συνθήκες και ότι θα χρειαζόταν πρόσθετη δουλειά και έρευνα για να αναπτυχθούν οι τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν σε βιομηχανική κλίμακα. Επί του παρόντος, εργάζονται για να προσδιορίσουν εάν η αντοχή σε θραύση και η ολκιμότητα των σύνθετων αυτών υλικών ισχύουν και για άλλα κεραμικά υλικά πέρα από την πάστα τσιμέντου, όπως το σκυρόδεμα.
Με πληροφορίες από engineering.princeton.edu
