Forscher betrachten Knochen und Schalen als Baupläne für stärkeren, haltbareren Beton

Anarchie in der Praxis von Stefan Molyneux - Hörbuch (lange Version) (Juli 2019).

Anonim

Forscher am MIT versuchen, Beton - das am häufigsten verwendete von Menschen gemachte Material in der Welt - neu zu entwerfen, indem sie den Blaupausen der Natur folgen.

In einem Artikel, der online in der Zeitschrift Construction and Building Materials veröffentlicht wurde, kontrastiert das Team den Bindungsbestandteil von Zementpaste und Beton mit der Struktur und den Eigenschaften natürlicher Materialien wie Knochen, Muscheln und Tiefseeschwämmen. Wie die Forscher beobachteten, sind diese biologischen Materialien außergewöhnlich stark und haltbar, zum Teil dank ihrer präzisen Anordnung von Strukturen auf mehreren Längenskalen, von der molekularen bis zur Makro- oder sichtbaren Ebene.

Aus ihren Beobachtungen hat das Team um Oral Buyukozturk, Professor an der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften (CEE) des Ministeriums, einen neuen bioinspirierten "bottom-up" -Ansatz für die Gestaltung von Zementpasten vorgeschlagen.

"Diese Materialien sind auf eine faszinierende Art und Weise zusammengesetzt, wobei einfache Bestandteile in komplexen geometrischen Konfigurationen angeordnet sind, die schön zu beobachten sind", sagt Buyukozturk. "Wir wollen sehen, welche Arten von Mikromechanismen in ihnen existieren, die solch überlegene Eigenschaften bieten und wie wir einen ähnlichen Baustein-basierten Ansatz für Beton annehmen können."

Letztendlich hofft das Team, Materialien in der Natur zu identifizieren, die als nachhaltige und langlebigere Alternativen zu Portlandzement verwendet werden können, der eine enorme Energiemenge für die Herstellung benötigt.

"Wenn wir Zement ganz oder teilweise durch andere Materialien ersetzen können, die in der Natur leicht und reichlich verfügbar sind, können wir unsere Ziele für Nachhaltigkeit erreichen", sagt Buyukozturk.

Co-Autoren des Papiers sind der Hauptautor und Doktorand Steven Palkovic, Doktorand Dieter Brommer, der Wissenschaftler Kunal Kupwade-Patil, der CEE-Assistenzprofessor Admir Masic und der CEE-Abteilungsleiter Markus Buehler, McAfees Professor für Ingenieurwissenschaften.

"Die Verschmelzung von Theorie, Berechnung, neuer Synthese und Charakterisierungsmethoden hat einen Paradigmenwechsel ermöglicht, der die Art und Weise, wie wir dieses allgegenwärtige Material produzieren, für immer verändern wird", sagt Bühler. "Es könnte zu dauerhafteren Straßen, Brücken, Strukturen führen, den Kohlenstoff- und Energie-Fußabdruck verringern und es sogar ermöglichen, Kohlendioxid bei der Herstellung des Materials zu speichern. Die Implementierung von Nanotechnologie in Beton ist ein eindrucksvolles Beispiel dafür, wie die CO2-Emissionen gesteigert werden können Kraft der Nanowissenschaft, um große technische Herausforderungen zu lösen. "

Von Molekülen zu Brücken

Der heutige Beton ist eine zufällige Ansammlung von zerkleinerten Steinen und Steinen, die durch eine Zementpaste miteinander verbunden sind. Die Festigkeit und Haltbarkeit von Beton hängt zum Teil von seiner inneren Struktur und Porenkonfiguration ab. Je poröser das Material ist, desto verletzlicher ist es zum Beispiel, Risse zu bilden. Es gibt jedoch keine Techniken, um die innere Struktur und die Gesamteigenschaften des Betons genau zu kontrollieren.

"Es ist vor allem Vermutungen", sagt Buyukozturk. "Wir wollen die Kultur verändern und anfangen, das Material auf der Mesoskala zu kontrollieren."

Wie Buyukozturk es beschreibt, stellt die "Mesoskala" die Verbindung zwischen mikroskopischen Strukturen und makroskopischen Eigenschaften dar. Wie beeinflusst beispielsweise die mikroskopische Anordnung von Zement die Gesamtfestigkeit und Haltbarkeit eines hohen Gebäudes oder einer langen Brücke? Das Verständnis dieser Verbindung würde den Ingenieuren helfen, Merkmale in verschiedenen Längenskalen zu identifizieren, die die Gesamtleistung des Betons verbessern würden.

"Wir haben es einerseits mit Molekülen zu tun und bauen andererseits eine Struktur in der Größenordnung von Kilometern Länge", sagt Buyukozturk. "Wie verbinden wir die Informationen, die wir im sehr kleinen Maßstab entwickeln, mit den Informationen im großen Maßstab? Das ist das Rätsel."

Gebäude von unten nach oben

Um diese Verbindung zu verstehen, untersuchten er und seine Kollegen biologische Materialien wie Knochen, Tiefseeschwämme und Perlmutt (eine innere Schalenschicht von Mollusken), die alle ausgiebig auf ihre mechanischen und mikroskopischen Eigenschaften hin untersucht wurden. Sie suchten in der wissenschaftlichen Literatur nach Informationen zu jedem einzelnen Biomaterial und verglichen ihre Strukturen und ihr Verhalten auf Nano-, Mikro- und Makroskala mit denen von Zementpaste.

Sie suchten nach Verbindungen zwischen der Struktur eines Materials und seinen mechanischen Eigenschaften. Zum Beispiel fanden die Forscher heraus, dass die zwiebelartige Struktur von Silica-Schichten eines Tiefseeschwamms einen Mechanismus zur Verhinderung von Rissen bietet. Perlmutt hat eine "gemauerte" Anordnung von Mineralien, die eine starke Bindung zwischen den mineralischen Schichten erzeugt, wodurch das Material extrem zäh wird.

"In diesem Zusammenhang gibt es eine breite Palette von Multiskalen-Charakterisierungs- und Computermodellierungsverfahren, die für die Untersuchung der Komplexitäten biologischer und biomimetischer Materialien gut geeignet sind, die leicht in die Zementgemeinschaft übertragen werden können", sagt Masic.

Unter Anwendung der Informationen, die sie aus der Untersuchung biologischer Materialien gelernt hatten, sowie des Wissens über existierende Zementpasten-Design-Tools, entwickelte das Team ein allgemeines, bioinspiriertes Framework oder eine Methodik für Ingenieure, um Zement "von der Pike auf" zu entwerfen.

Der Rahmen ist im Wesentlichen eine Reihe von Richtlinien, denen Ingenieure folgen können, um zu bestimmen, wie bestimmte Zusatzstoffe oder Zutaten von Interesse die Gesamtfestigkeit und Haltbarkeit von Zement beeinflussen. Zum Beispiel untersucht Buyukozturk in einer verwandten Forschungsrichtung Vulkanasche als Zementzusatz oder -ersatzstoff. Um zu sehen, ob Vulkanasche die Eigenschaften der Zementpaste verbessern würde, würden die Ingenieure nach dem Rahmen der Gruppe zunächst vorhandene experimentelle Techniken wie Kernmagnetresonanz, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenbeugung verwenden, um die festen und Porenkonfigurationen der Vulkanasche über die Zeit zu charakterisieren.

Die Forscher könnten dann diese Messungen in Modelle einbetten, die die langfristige Entwicklung von Beton simulieren, um mesoskalige Beziehungen zwischen beispielsweise den Eigenschaften von Vulkanasche und dem Beitrag des Materials zur Festigkeit und Dauerhaftigkeit einer aschehaltigen Betonbrücke zu identifizieren. Diese Simulationen können dann mit konventionellen Kompressions- und Nanoindentationsexperimenten validiert werden, um tatsächliche Proben von Beton auf der Basis von Vulkanasche zu testen.

Letztendlich hoffen die Forscher, dass der Rahmen den Ingenieuren helfen wird, Inhaltsstoffe zu identifizieren, die ähnlich wie Biomaterialien strukturiert sind und sich in einer Weise entwickeln, die die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit des Betons verbessern können.

"Hoffentlich führt uns das zu einer Art Rezept für nachhaltigeren Beton", sagt Buyukozturk. "In der Regel erhalten Gebäude und Brücken ein bestimmtes Designleben. Können wir dieses Designleben vielleicht zwei- oder dreimal verlängern? Das ist unser Ziel. Unser Framework bringt alles auf Papier, auf eine sehr konkrete Art und Weise für Ingenieure. "

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