От ракушек до цемента — природа вдохновляет на создание более прочных строительных материалов

Важные новости

От ракушек до цемента , природа вдохновляет на более прочный строительный материал» /></p>
<p> Архитектура из натурального и синтетического перламутрового композита. А) Поперечное сечение природного перламутра. Б) СЭМ-микрофотография, показывающая трехмерное расположение таблеток арагонита, связанных между собой более мягкой органической матрицей. C,D) Схема недеформированного и деформированного архитектурного расположения природного перламутра, допускающего большую деформацию за счет скольжения таблеток и вязкоупругой деформации органической матрицы. Источник: <i>Расширенные функциональные материалы</i> (2024 г.). DOI: 10.1002/adfm.202313516 </p>
<p>Вдохновленные материалом, из которого состоят раковины устриц и морских ушек, инженеры Принстона создали новый цементный композит, который в 17 раз более устойчив к растрескиванию, чем стандартный цемент, и в 19 раз более способен растягиваться и деформироваться, не разрушаясь. Полученные результаты могут в конечном итоге помочь повысить устойчивость к растрескиванию широкого спектра хрупких керамических материалов, от бетона до фарфора.</p>
<p>«Если мы сможем спроектировать бетон, устойчивый к распространению трещин, мы сможем сделать его более прочным, безопасным и долговечным», — говорит исследователь Шашанк Гупта, аспирант лаборатории Резы Мойни на факультете гражданского и экологического строительства.</p>
<p >В статье, опубликованной в журнале <i>Advanced Functional Materials</i>, исследовательская группа под руководством Мойни, доцента кафедры гражданского и экологического строительства, сообщила, что создание чередующихся слоев табулированной цементной пасты и тонкого полимера может значительно повысить устойчивость к растрескиванию. и способность деформироваться без полного разрушения (пластичность).</p>
<p>В своей работе над строительными материалами лаборатория Мойни часто обращается к биологии за вдохновением. В этом случае команда разработала композит, вдохновленный природным материалом под названием перламутр или перламутр, который содержится внутри некоторых ракушек. Гупта рассказал, что на микроскопическом уровне перламутр состоит из шестиугольных таблеток твердого минерала арагонита, склеенных между собой мягким биополимером.</p>
<p>Арагонитовые таблетки вносят значительный вклад в прочность перламутра, в то время как биополимер добавляет гибкость и устойчивость к трещинам. Механизм упрочнения включает скольжение арагонитовых таблеток под нагрузкой, что, наряду с другими механизмами, позволяет перламутру рассеивать энергию. Это скользящее действие в сочетании с прогибом трещины и деформацией биополимера позволяет перламутру выдерживать значительные механические нагрузки, сохраняя при этом свою структурную целостность, что делает его одновременно прочным и упругим.</p>
<p>«Эта синергия между твердыми и мягкими компонентами имеет решающее значение для замечательных механических свойств перламутра», — сказал Гупта.</p>
<p>Команда Принстона разработала инновационные композиты, вдохновленные перламутром, используя обычные строительные материалы, такие как цементная паста портландцемента в сочетании с ограниченным количеством полимера. Они чередовали слои листов цементной пасты с высокоэластичным полимером, поливинилсилоксаном. Исследователи создали многослойные небольшие балки, чередуя листы цементной пасты с тонкими слоями полимера. Затем эти балки были подвергнуты испытанию на изгиб в трех точках с надрезом, где каждая балка была испытана на изгиб для оценки устойчивости к трещинам (или вязкости разрушения).</p>
<p>В ходе эксперимента исследователи создали три типа балок. Первый тип состоял из чередующихся слоев листов цементной пасты и тонкого полимера. Для второго типа они использовали лазер, чтобы выгравировать шестиугольные канавки в листах цементной пасты. Затем эти канавчатые листы были уложены с тонкими полимерными слоями между ними.</p>
<p>Третий тип был похож на второй, но исследователи прорезали цемент полностью, создав отдельные шестиугольные таблетки, соединенные полимерным слоем. Эти таблетки цементного теста лежат поверх слоя полимера аналогично тому, как арагонит лежит на слое биополимера в перламутре. Эти три типа сравнивались с эталонным аналогом из твердого (монолитного) литого цементного теста.</p>
<p>Эксперименты показали, что разрушение опорных балок было хрупким – это означает, что балки сломались внезапно и полностью после достижения точки разрушения, без пластичности. Балки с чередующимися слоями, как рифлеными, так и без рифленых, продемонстрировали повышенную пластичность и устойчивость к растрескиванию.</p>
<p>Наиболее значительные результаты наблюдались у балок с полностью разделенными шестиугольными таблетками, похожими на перламутр. Эти балки продемонстрировали в 19 раз большую пластичность и в 17 раз большую вязкость разрушения, сохраняя при этом почти ту же прочность, что и балка из твердого цементного теста.</p>
<p>«Наш биоинспирированный подход заключается не в том, чтобы просто имитировать микроструктуру природы, а в том, чтобы изучить основополагающие принципы и использовать их для разработки искусственных материалов. Одним из ключевых механизмов, которые делают перламутровую оболочку прочной, является скольжение таблетки. на нанометровом уровне. Здесь мы фокусируемся на механизме скольжения таблеток, создавая встроенную табличную структуру цементного теста в балансе со свойствами полимера и интерфейса между ними». — сказал Мойни. «Другими словами, мы намеренно создаем дефекты в хрупких материалах, чтобы сделать их прочнее за счет конструкции».</p>
<p>Исследователи отметили, что результаты основаны на лабораторных условиях и что это потребует дополнительной работы и исследования с целью разработки методов для использования в полевых условиях. Они работают над тем, чтобы определить, применима ли вязкость разрушения и пластичность конструкций к другим керамическим материалам, помимо цементного теста, таким как бетон.</p>
<p>«Мы только царапаем поверхность; нам предстоит изучить и реализовать множество дизайнерских возможностей. спроектируйте определяющие свойства твердых и мягких материалов, интерфейсы и геометрические аспекты, которые играют роль в фундаментальных размерах строительных материалов», — сказал Мойни.</p>
<p><strong>Дополнительная информация: </strong> Шашанк Гупта и др., Прочные и пластичные архитектурные перламутровые цементные композиты, <i>Усовершенствованные функциональные материалы</i> (2024). DOI: 10.1002/adfm.202313516 </p>
<p><strong>Информация журнала:</strong> Расширенные функциональные материалы, предоставленные Принстонским университетом</p>
</div></div><div class=

Новости сегодня

Последние новости