Istraživači sa MIT-a su u potrazi za novim oblicima betona u skladu sa prirodom. Inače, beton je najrasprostranjeniji veštački materijal na svetu.
U radu objavljenom u časopisu „Construction and Building Materials“, tim je suprostavio cementnu pastu – vezivni sastojak betona, sa strukturom i svojstvima prirodnih materijala kao što su kosti, školjke i morski sunđeri koji žive u velikim dubinama. Kao što su istraživači primetili, ti biološki materijali su izuzetno jaki i izdržljivi, delimično zahvaljujući njihovoj precizno sastavljenoj strukturi na različitim nivoima, od molekularnog pa do makro ili vidljivog nivoa.
U odnosu na istraživanja tima na čelu sa Oral Buyukozturkom, profesorom na MIT - Department of Civil and Environmental Engineering - CEE, predložen je novi bioinspirisan, pristup „odozdo prema gore“ za izradu cementne paste.
„Ovi materijali se sastavljeni na fascinantan način, sa jednostavnim sastojcima uređenim u složene geometrijske konfiguracije koje su lepe za posmatranje“, kaže Buyukozturk. „Želimo da vidimo kakvi mikromehanizmi postoje unutar njih koji daju takve superiorne osobine i kako se mogu usvojiti slični pristupi za stvaranje betonskih blokova za izgradnju.“
Na kraju krajeva, tim se nada da će identifikovati materijale koji se nalaze u prirodi i koji se mogu koristiti kao održivije i dugotrajnije alternative „Portland“ cementu, koji zahteva veliku količinu energije da bi se proizveo.
„Ako možemo zameniti cement, delimično ili potpuno, sa nekim drugim materijalima koji mogu biti lako i u dovoljnim količinama dostupni u prirodi, možemo ispuniti naše ciljeve za održivošću“, kaže Buyukozturk.
Koautori ovoga su glavni autor i diplomac Steven Palkovic, diplomac Dieter Brommer, naučnik Kunal Kupwade-Patil, CEE asistent profesora Admir Mašić i CEE vođa departmenta Markus Buehler, McAfee profesor za inženjerstvo.
„Spajanje teorije, računanje, nove sinteze i metode karakterizacije su omogućile promenu paradigme koja će verovatno promeniti način na koji proizvodimo ovaj sveprisutni materijal, zauvek“, kaže Biler. „To bi moglo dovesti do trajnih puteva, mostova, objekata, smanjivanja emisije ugljenika i energije koja je potrebna da se apsorbuje, pa čak i omogućiti nam da izolujemo ugljen-dioksid kao materijal od koga je napravljen. Implementacija nanotehnologije kod betona je jedan snažan primer kako povećati moć nanonauke kod rešavanja velikih inženjerskih izazova.“
Od molekula do mostova
Današnji beton je slučajan skup lomljenog kamenja i stena, povezanih u cementnu pastu. Snaga i izdržljivost betona zavisi delimično od njegove unutrašnje strukture i konfiguracije pora. Na primer, sto su materijali porozniji, više su skloni pucanju. Međutim, nema raspoloživih tehnika za preciznu kontrolu unutrašnjosti strukture betona i ukupnih svojstava.
„Uglavnom se nagađa“, kaže Buyukozturk. „Mi želimo da promenimo „kulturu“ i počnemo sa kontrolom materijala na „mesoscale“ ili srednjem nivou.“
Kako Buyukozturk objašnjava, „mesoscale“ predstavlja vezu između struktura na mikro nivu i svojstava na makro nivou. Na primer, kako mikroskopska cementna struktura utiče na ukupnu snagu i izdržljivost visokih zgrada ili dugih mostova? Razumevanje ove veze bi moglo pomoći inženjerima da identifikuju karakteristike na različitim nivoima koje će poboljšati ukupne performanse betona.
„Imamo posla a molekulima, sa jedne strane i izgradnjom struktura koje se mere kilometrima sa druge strane“, kaže Buyukozturk. „Kako ćemo povezati informacije koje se razvijaju u veoma maloj razmeri sa informacijama u velikoj razmeri? To je zagonetka.“
Izgradnja „odozdo prema gore“
Da bi počeli da shvataju ovu vezu, on i njegove kolege pogledali su biološke materijale - kosti, morske sunđere iz velikih dubina i sedef (unutrašnji sloj ljušture školjke), gde su intenzivno proučavana njihova mehanička i mikroskopska svojstva. Informisali su se iz naučne literature o svakom biomaterijalu, i upoređivali njegovu strukturu i ponašanje, na nano, mikro i makro nivou, sa cementnom pastom.
Tražili su veze između strukture materijala i njenih mehaničkih karakteristika. Na primer, istraživači su otkrili da je struktura morskih sunđera iz velikih dubina nalik luku od slojeva silicijum dioksida i da obezbeđuje mehanizam za sprečavanje nastajanja pukotina. Sedef ima „cigla i malter“ spoj minerala koji stvaraju snažnu vezu između mineralnih slojeva, čineći materijal izuzetno žilavim.
„U tom kontekstu, postoji širok spektar visestepene karakterizacije i računarske tehnike modelovanja koje su dobro uspostavljene za proučavanje složenosti bioloških i biomimikrijskih materijala, koji se mogu lako prevesti kod cementa“, kaže Mašić.
Primenom informacije do koje su došli istraživanjem biološkog materijala, kao i znanjem koje su sakupili na postojećoj cementnoj pasti, tim je razvio opšti, bioinspirisan okvir ili metodologiju za inženjere da dizajniraju cement „odozdo prema gore“.
Okvir je u suštini skup smernica koje inženjeri mogu pratiti, kako bi se utvrdilo kako će određeni aditivi i sastojci uticati na ukupnu snagu i izdržljivost cementa. Na primer, u sličnom istraživanju, Buyukozturk gleda u vulkanski pepeo kao cementni aditiv ili zamenu. Da bi videli da li će vulkanski pepeo poboljšati svojstva cementne paste, inženjeri, prateći smernice grupe, bi prvo koristili postojeće eksperimentalne tehnike, kao što su nuklearna magnetna rezonanca, skeniranje elektronskim mikroskopom i X-ray difrakciju za karakterizaciju čvrstoće vulkanskog pepela i konfiguraciju pora tokom vremena.
Istraživači bi onda mogli da priključe ova merenja u modele koji simuliraju dugoročan razvoj betona, identifikuju „mesoscale“ odnose između njih, recimo, svojstva vulkanskog pepela i doprinosa materijala snagi i izdržljivosti jednog betonskog mosta gde beton sadrži pepeo. Ove simulacije bi onda mogle biti potvrđene ekperimentima konvencionalne kompresije i nanoindentacije, da bi se testirali stvarni uzorci vulkanskog betona na bazi pepela.
Na kraju krajeva, istraživači se nadaju da će okvir pomoći inženjerima da identifikuju sastojke koji su strukturirani i slični biomaterijalu, koji mogu poboljšati performanse i dugotrajnost betona.
„Nadam se da će nas ovo dovesti do neke vrste recepta za održivijim betonom“, kaže Buyukozturk. „Obično je zgradama i mostovima dat određeni životni vek. Možemo produžiti taj životni vek možda dva ili tri puta? To je ono što nam je cilj. Naš okvir stavlja sve na papir, na vrlo konkretan način inženjerima na korišćenje.“
Ovo istraživanje je podržano od strane Fondacije za razvoj nauke Kuvajta kroz MIT Centar u Kuvajtu za prirodne resurse i životnu sredinu (Kuwait-MIT Center for Natural Resources and the Environment), Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju i Argonne nacionalne laboratorije.
