Από την εφεύρεσή του πριν από αρκετές χιλιετίες, το σκυρόδεμα έχει συμβάλει στην πρόοδο του πολιτισμού, βρίσκοντας χρήση σε αμέτρητες κατασκευαστικές εφαρμογές - από γέφυρες σε κτίρια . Ωστόσο, παρά τους αιώνες της καινοτομίας, η λειτουργία του παρέμεινε πρωτίστως δομική.
Μια πολυετής προσπάθεια ερευνητών του MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), σε συνεργασία με το Γαλλικό Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας (CNRS), έχει ως στόχο να το αλλάξει. Η συνεργασία τους υπόσχεται να κάνει το σκυρόδεμα πιο βιώσιμο προσθέτοντας νέες λειτουργίες - δηλαδή, την αγωγιμότητα ηλεκτρονίων. Η αγωγιμότητα των ηλεκτρονίων θα επέτρεπε τη χρήση σκυροδέματος για μια ποικιλία νέων εφαρμογών, που κυμαίνονται από αυτοθέρμανση έως αποθήκευση ενέργειας.
Η προσέγγισή τους βασίζεται στην ελεγχόμενη εισαγωγή υλικών εξαιρετικά αγώγιμων νανοανθράκων στο μίγμα τσιμέντου. Σε ένα έγγραφο σε Φυσική Επισκόπηση Υλικών , επικυρώνουν αυτήν την προσέγγιση ενώ παρουσιάζουν τις παραμέτρους που υπαγορεύουν την αγωγιμότητα του υλικού.
Η Nancy Soliman, επικεφαλής συγγραφέας και postdoc στο MIT CSHub, πιστεύει ότι αυτή η έρευνα έχει τη δυνατότητα να προσθέσει μια εντελώς νέα διάσταση σε αυτό που είναι ήδη ένα δημοφιλές δομικό υλικό.
«Αυτό είναι ένα μοντέλο πρώτης τάξης του αγώγιμου τσιμέντου», εξηγεί. "Και θα φέρει [τις γνώσεις] που απαιτούνται για να ενθαρρύνει την αύξηση αυτών των ειδών [πολυλειτουργικών] υλικών."
Από τη νανοκλίμακα έως την τελευταία λέξη της τεχνολογίας
Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, τα υλικά νανοκαρβονών πολλαπλασιάστηκαν λόγω του μοναδικού συνδυασμού ιδιοτήτων τους, κυρίως μεταξύ αυτών αγωγιμότητας. Επιστήμονες και μηχανικοί έχουν προτείνει προηγουμένως την ανάπτυξη υλικών που μπορούν να προσδώσουν αγωγιμότητα στο τσιμέντο και το σκυρόδεμα εάν ενσωματωθούν μέσα.
Για αυτό το νέο έργο, ο Soliman ήθελε να διασφαλίσει ότι το υλικό νανοάνθρακα που επέλεξαν ήταν αρκετά προσιτό ώστε να παραχθεί σε κλίμακα. Αυτή και οι συνάδελφοί της εγκατέστησαν σε μαύρο νανοάνθρακα - ένα φτηνό υλικό άνθρακα με εξαιρετική αγωγιμότητα. Διαπίστωσαν ότι οι προβλέψεις τους για αγωγιμότητα επιβεβαιώθηκαν.
"Το σκυρόδεμα είναι φυσικά ένα μονωτικό υλικό", λέει ο Soliman, "Αλλά όταν προσθέτουμε σωματίδια νανοκαρβονικών μαύρων, μετακινείται από το να είναι μονωτής σε αγώγιμο υλικό."
Με την ενσωμάτωση μαύρου νανοάνθρακα σε όγκο μόλις 4% των μιγμάτων τους, η Soliman και οι συνάδελφοί της διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να φτάσουν το κατώφλι διήθησης, το σημείο στο οποίο τα δείγματά τους μπορούσαν να φέρουν ρεύμα.
Παρατήρησαν ότι αυτό το ρεύμα είχε επίσης ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα: Θα μπορούσε να παράγει θερμότητα. Αυτό οφείλεται σε αυτό που είναι γνωστό ως το φαινόμενο Joule.
«Η θέρμανση Joule (ή αντίσταση θέρμανσης) προκαλείται από αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κινούμενων ηλεκτρονίων και ατόμων στον αγωγό, εξηγεί ο Nicolas Chanut, συν-συγγραφέας στο χαρτί και ένα postdoc στο MIT CSHub. "Τα επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια στο ηλεκτρικό πεδίο ανταλλάσσουν κινητική ενέργεια κάθε φορά που συγκρούονται με ένα άτομο , προκαλώντας δονήσεις των ατόμων στο πλέγμα, το οποίο εκδηλώνεται ως θερμότητα και αύξηση της θερμοκρασίας στο υλικό."
Στα πειράματά τους, βρήκαν ότι ακόμη και μια μικρή τάση - τόσο χαμηλές όσο 5 volts - θα μπορούσε να αυξήσει τις επιφανειακές θερμοκρασίες των δειγμάτων τους (περίπου 5 cm 3 σε μέγεθος) έως 41 βαθμούς Κελσίου (περίπου 100 βαθμούς Φαρενάιτ ). Ενώ ένας τυπικός θερμοσίφωνας μπορεί να φτάσει σε συγκρίσιμες θερμοκρασίες, είναι σημαντικό να εξεταστεί πώς αυτό το υλικό θα εφαρμοζόταν σε σύγκριση με τις συμβατικές στρατηγικές θέρμανσης.
«Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να είναι ιδανική για θέρμανση εσωτερικού δαπέδου», εξηγεί ο Chanut. «Συνήθως, η εσωτερική θέρμανση με ακτινοβολία γίνεται με την κυκλοφορία θερμαινόμενου νερού σε σωλήνες που τρέχουν κάτω από το πάτωμα. Αλλά αυτό το σύστημα μπορεί να είναι δύσκολο να κατασκευαστεί και να συντηρηθεί. Ωστόσο, όταν το ίδιο το τσιμέντο γίνεται θερμαντικό στοιχείο, το σύστημα θέρμανσης γίνεται απλούστερο στην εγκατάσταση και πιο αξιόπιστο. Επιπλέον, το τσιμέντο προσφέρει πιο ομοιογενή κατανομή θερμότητας λόγω της πολύ καλής διασποράς των νανοσωματιδίων στο υλικό. "
Το τσιμέντο Nanocarbon θα μπορούσε επίσης να έχει διάφορες εφαρμογές σε εξωτερικό χώρο. Οι
Chanut και Soliman πιστεύουν ότι εάν εφαρμοστούν σε οδοστρώματα από
σκυρόδεμα, το τσιμέντο νανοανθράκων θα μπορούσε να μετριάσει την
ανθεκτικότητα, τη βιωσιμότητα και τα ζητήματα ασφάλειας.
«Στη Βόρεια Αμερική, βλέπουμε πολύ χιόνι. Η απομάκρυνση αυτού του χιονιού από τους δρόμους μας απαιτεί τη χρήση αλάτων αποπάγωσης, τα οποία μπορούν να καταστρέψουν το σκυρόδεμα και να μολύνουν τα υπόγεια ύδατα », σημειώνει ο Soliman. Τα βαρέα φορτηγά που χρησιμοποιούνται για να αλατίζουν δρόμους είναι επίσης βαριά και δαπανηρά στην οδήγηση.
Ενεργοποιώντας τη θέρμανση με ακτινοβολία σε πεζοδρόμια, το τσιμέντο νανοκαρβονών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση των οδοστρωμάτων χωρίς οδικό αλάτι, εξοικονομώντας δυνητικά εκατομμύρια δολάρια σε έξοδα επισκευής και λειτουργίας, ενώ διορθώνει τις ανησυχίες για την ασφάλεια και το περιβάλλον. Σε ορισμένες εφαρμογές όπου η διατήρηση εξαιρετικών συνθηκών οδοστρώματος είναι υψίστης σημασίας - όπως οι διάδρομοι αεροδρομίων - αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα επωφελής.
Ενώ αυτό το υπερσύγχρονο τσιμέντο προσφέρει κομψές λύσεις σε μια σειρά προβλημάτων, η επίτευξη πολυλειτουργικότητας έθεσε μια ποικιλία τεχνικών προκλήσεων. Για παράδειγμα, χωρίς τρόπο ευθυγράμμισης των νανοσωματιδίων σε κύκλωμα λειτουργίας - γνωστό ως ογκομετρική καλωδίωση - μέσα στο τσιμέντο, η αγωγιμότητα τους θα ήταν αδύνατο να αξιοποιηθεί. Για να διασφαλιστεί μια ιδανική ογκομετρική καλωδίωση, οι ερευνητές διερεύνησαν μια ιδιότητα γνωστή ως tortuosity
«Το Tortuosity είναι μια ιδέα που παρουσιάσαμε κατ 'αναλογία από το πεδίο της διάχυσης», εξηγεί ο Franz-Josef Ulm, ηγέτης και συν-συγγραφέας στο χαρτί, καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος του MIT και σύμβουλος καθηγητών στο CSHub . «Στο παρελθόν, έχει περιγράψει πώς ρέουν τα ιόντα. Σε αυτό το έργο, το χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τη ροή ηλεκτρονίων μέσω του ογκομετρικού καλωδίου. "
Ο Ουλμ εξηγεί τη χελώνα με το παράδειγμα ενός αυτοκινήτου που ταξιδεύει μεταξύ δύο σημείων σε μια πόλη. Ενώ η απόσταση μεταξύ αυτών των δύο σημείων καθώς το κοράκι πετάει μπορεί να είναι δύο μίλια, η πραγματική απόσταση που κινείται μπορεί να είναι μεγαλύτερη λόγω του κυκλώματος των δρόμων.
Το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρόνια που διέρχονται μέσω τσιμέντου. Η διαδρομή που πρέπει να ακολουθήσουν μέσα στο δείγμα είναι πάντα μεγαλύτερη από το μήκος του ίδιου του δείγματος. Ο βαθμός στον οποίο αυτό το μονοπάτι είναι μακρύτερος είναι το βασανιστήριο.
Η επίτευξη της βέλτιστης τιμωρίας σημαίνει εξισορρόπηση της ποσότητας και της διασποράς του άνθρακα. Εάν ο άνθρακας είναι πολύ διασκορπισμένος, η ογκομετρική καλωδίωση θα γίνει αραιή, οδηγώντας σε υψηλή ροπή. Παρομοίως, χωρίς αρκετό άνθρακα στο δείγμα, η ελαστικότητα θα είναι πολύ μεγάλη για να σχηματίσει μια άμεση, αποτελεσματική καλωδίωση με υψηλή αγωγιμότητα.
Ακόμη και η προσθήκη μεγάλων ποσοτήτων άνθρακα θα μπορούσε να αποδειχθεί αντιπαραγωγική. Σε ένα σημείο η αγωγιμότητα θα πάψει να βελτιώνεται και, θεωρητικά, θα αυξήσει το κόστος μόνο εάν εφαρμοστεί σε κλίμακα. Ως αποτέλεσμα αυτών των περιπλοκών, επιδίωξαν να βελτιστοποιήσουν τους συνδυασμούς τους.
«Βρήκαμε ότι με τη ρύθμιση του όγκου του άνθρακα μπορούμε να φτάσουμε σε τιμή τιμωρίας 2», λέει ο Ulm. "Αυτό σημαίνει ότι η διαδρομή που ακολουθούν τα ηλεκτρόνια είναι μόνο το διπλάσιο του μήκους του δείγματος."
Ο ποσοτικός προσδιορισμός αυτών των ιδιοτήτων ήταν ζωτικής σημασίας για τον Ulm και τους συναδέλφους του. Ο στόχος του πρόσφατου χαρτιού τους δεν ήταν απλώς να αποδείξει ότι το πολυλειτουργικό τσιμέντο ήταν δυνατό, αλλά και ότι ήταν επίσης βιώσιμο για μαζική παραγωγή.
«Το βασικό σημείο είναι ότι για να πάρει ένας μηχανικός πράγματα, χρειάζονται ένα ποσοτικό μοντέλο», εξηγεί ο Ulm. «Πριν συνδυάσετε υλικά, θέλετε να περιμένετε συγκεκριμένες επαναλαμβανόμενες ιδιότητες. Αυτό ακριβώς περιγράφει αυτό το έγγραφο. διαχωρίζει αυτό που οφείλεται σε οριακές συνθήκες - [ξένες] περιβαλλοντικές συνθήκες - από πραγματικά αυτό που οφείλεται στους θεμελιώδεις μηχανισμούς μέσα στο υλικό. "
Με την απομόνωση και τον ποσοτικό προσδιορισμό αυτών των μηχανισμών, οι Soliman, Chanut και Ulm ελπίζουν να παρέχουν στους μηχανικούς ακριβώς αυτό που χρειάζονται για να εφαρμόσουν πολυλειτουργικό τσιμέντο σε ευρύτερη κλίμακα. Η πορεία που έχουν χαρτογραφήσει είναι πολλά υποσχόμενη - και, χάρη στη δουλειά τους, δεν πρέπει να αποδειχθεί πολύ δύσκολη.
