麻省理工学院的研究人员正按照自然的蓝图，试图重新设计混凝土——世界上使用最广泛的人造材料。
在在线发布的论文中建筑和建筑材料，研究小组对比了水泥糊(混凝土的粘结成分)与骨骼、贝壳和深海海绵等天然材料的结构和特性。正如研究人员所观察到的，这些生物材料非常坚固耐用，部分原因是它们在从分子到宏观或可见水平的多个长度尺度上精确组装结构。
这个由麻省理工学院土木与环境工程系(CEE)教授Oral Buyukozturk领导的研究小组通过观察发现，提出了一种新的受生物启发的、“自下而上”的水泥砂浆设计方法。
Buyukozturk说:“这些材料以一种迷人的方式组合在一起，简单的成分排列在复杂的几何结构中，看起来很漂亮。”“我们想知道它们内部存在什么样的微机制，能够提供如此优越的性能，以及我们如何采用类似的基于积木的混凝土方法。”
最终，该团队希望识别本质上的材料，这些材料可能被用作波特兰水泥的可持续和更长的替代品，这需要大量的能量制造。
“如果我们可以替代水泥，部分或完全替代水泥，与其他一些可以容易地提供的其他材料，我们可以满足我们的可持续性目标，”Buicukozturk说。
论文的共同作者包括首席作者和研究生Steven Palkovic，研究生Dieter Brommer，研究科学家Kunal Kupwade-Patil, CEE助理教授Admir Masic，和CEE系主任Markus Buehler, McAfee工程教授。
比勒说:“理论、计算、新合成和表征方法的融合，使范式发生了转变，这可能会永远改变我们生产这种无处不在的材料的方式。”“它可以带来更耐用的道路、桥梁和结构，减少碳和能源足迹，甚至使我们能够在材料制造时封存二氧化碳。”在混凝土中应用纳米技术是放大纳米科学力量以解决重大工程挑战的一个有力例子。”
从分子到桥梁
今天的混凝土是碎石和石块的随机组合，由水泥糊粘合在一起。混凝土的强度和耐久性部分取决于其内部结构和孔隙的配置。例如，材料越多孔，就越容易开裂。然而，目前还没有技术能够精确地控制混凝土的内部结构和整体性能。
“这主要是猜测，”Buyukozturk说。“我们想要改变文化，开始在中尺度上控制材料。”
正如Buyukozturk所描述的，“中尺度”代表了微观结构和宏观属性之间的联系。例如，水泥的微观结构如何影响高层建筑或长桥的整体强度和耐久性?理解这种联系将帮助工程师识别不同长度尺度的特征，从而提高混凝土的整体性能。
“我们一方面与分子处理，并建立一个在另一方面的公里数量的结构，”Buyukozturk说。“我们如何通过大规模的信息连接我们开发的信息，以大规模的信息？这是谜语。“
从下往上建
为了理解这种联系，他和他的同事们着眼于生物材料，如骨头、深海海绵和珍珠(软体动物的一种内壳层)，这些材料的机械和微观性能都已被广泛研究。他们查阅了有关每种生物材料的科学文献，并在纳米、微观和宏观尺度上，将它们的结构和行为与水泥糊进行了比较。
他们寻找材料结构与其机械性能之间的联系。例如，研究人员发现二氧化硅层的深海海绵的洋葱结构提供了防止裂缝的机制。纳卡尔有一个“砂浆”排列的矿物质，在矿物层之间产生强烈的粘合，使材料极其强硬。
“在这种情况下，有广泛的多尺度表征和计算建模技术，这些技术对于研究生物学和仿生材料的复杂性，这可以很容易地翻译成水泥群落”，“马赛克说。
利用他们从研究生物材料中学到的信息，以及他们从现有的水泥砂浆设计工具中收集到的知识，该团队开发了一种通用的、生物启发的框架或方法，供工程师“自下而上”设计水泥。
该框架本质上是一系列工程师可以遵循的指导方针，以确定某些添加剂或利益成分会影响水泥的整体力量和耐用性。例如，在相关的研究线中，Buyukozturk正在调查火山灰作为水泥添加剂或替代品。To see whether volcanic ash would improve cement paste’s properties, engineers, following the group’s framework, would first use existing experimental techniques, such as nuclear magnetic resonance, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction to characterize volcanic ash’s solid and pore configurations over time.
然后，研究人员可以将这些测量塞载成模拟混凝土的长期进化的模型，以识别火山灰和材料对含灰混凝土桥的材料的力量和耐用性的材料之间的Mesoscale关系。然后可以用常规压缩和纳米凸缘实验验证这些模拟，以测试基于火山灰的混凝土的实际样品。
最终，研究人员希望这个框架能帮助工程师识别出类似于生物材料的结构和进化方式，从而提高混凝土的性能和寿命。
“希望这将导致我们对更多可持续混凝土的某种配方，”Buyukozturk说。“通常，建筑物和桥梁赋予某种设计生活。我们可以扩展到哪种设计寿命可能是两次或三次？这就是我们的目标。我们的框架以非常具体的方式涂在纸上，为工程师使用。“
这项研究得到科威特科学进步基金会的部分支持，该基金会通过科威特-麻省理工学院自然资源与环境中心、国家标准与技术研究所和阿贡国家实验室。
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