Moderni svet je po svoj prilici postao betonska džungla. Međutim bez obzira što se beton koristi za izgradnju stotinama godina unazad „recept“ za njegovo pravljenje je otvoren za poboljšanja u cilju unapređenja njegovih karakteristika. Istraživači sa Univerziteta Rice su pronašli način da „programiraju" čestice cementa u određene oblike kako bi se dobio beton koji je jači, manje porozan i više ekološki.
Ovo možda ne deluje kao uzbudljiva stvar, ali podsećamo da je beton imao prilično intrigantan napredak poslednjih nekoliko godina. Stvoren je beton koji je otporniji na vatru, savitljiv, pa čak i onaj koji se sam obnavlja.
Da bi poboljšali svoja istraživanja, istraživači sa Univerziteta Rice su na nano razmeri proučavali kako se kalcijum-silikat-hidrat (C-S-H) cement kristalizuje i to iskoristili za sintezu C-S-H čestica specifičnih oblika. Amorfne balončiće koje ove čestice obično formiraju tim je pretvorio u kocke, pravougaone prizme, dendrite, čvrste omotače i rombohedre, koji su u stanju da se zajedno više zgusnu. Krajnji rezultat je beton koji je bolji u sprečavanju prodiranja vode koja može da uništi materijal iznutra.
„Nazvali smo ga programirani cement", kaže Rouzbeh Shahsavari, vođa studije. „Veliki napredak ovog rada je u tome što je ovo prvi korak u kontroli kretanja cementa u cilju dobijanja željenog oblika. Pokazali smo kako se može kontrolisati morfologija i veličina osnovnih formiranih blokova od C-S-H tako da mogu samostalno da se grupišu u mikrostrukture sa daleko većom gustinom sastavljanja u poređenju sa konvencionalnim amorfnim C-S-H mikrostrukturama."
Tim je dodao surfaktant i kalcijum silikat sa pozitivnim ili negativnim naelektrisanjem, pre izlaganja C-S-H miksa ugljen-dioksidu i ultrazvuku kako bi naveli čestice da formiraju ove oblike. Promena količine kalcijum silikata uticala je na to koji će oblik čestice preuzeti: uz manje količine dobijaju se više sferni oblici i manje kocke, dok dodavanje više kalcijum silikata dovodi do sfera nalik grudvama i preplitanja kocki.
Nakon 25 minuta, to kristalno „zrno" se formira oko surfaktanata i upućuje druge okolne molekule da se samostalno grupišu u veće verzije tih oblika. Tim je bio u stanju da kontroliše količinu, veličinu i oblik ovih finalnih čestica podešavanjem koncentracije originalnog „zrna“, temperature i trajanja procesa. Ova informacija se zatim mapira u jedinstveni dijagram morfologije koji može biti dostupan proizvođačima i graditeljima kako bi im se omogućilo da stvore beton koji ima specifična željena svojstva.
„Čestice „zrna“ koje se formiraju prve, automatski, u našim reakcijama, dominiraju procesima i daju oblik ostatku materijala", kaže Shahsavari. „Ovde leži lepota ovoga. Važno je reći da zrno nastalo posredovanjem raste i ne zahteva spoljni dodatak čestica zrna, kao što se obično radi u industriji za promociju kristalizacije i rasta."
Tim je koristio nanoindenter sa dijamantskim vrhom za testiranje snage čestica različitih oblika, kako bi rasturio stotine pojedinačnih čestica, jednu po jednu i tako dobio detaljne mehaničke podatke.
„Druge istraživačke grupe su testirale rasuti cement i beton, ali ni jedna grupa nikada nije ispitivala mehanička svojstva pojedinačnih C-S-H čestica i efekat koji oblik ima na mehanička svojstva pojedinih čestica", kaže Shahsavari.
Proizvodnja betona je jedan od najvećih krivaca za emisiju štetnih gasova i efekat staklene bašte iako nedavna istraživanja pokazuju da materijal može biti značajan u apsorbovanju ugljenika, ali bez obzira na to pronalaženje načina da se smanji količina proizvodnje cementa je i dalje prioritet. U tom smislu, nove tehnike tima sa Univerziteta Rice imaju nekoliko prednosti.
„Jedna od prednosti je da je sada potrebno manje betona jer je jači", objašnjava Shahsavari. „To proizlazi iz boljeg grupisanja kubnih čestica, što dovodi do jačih mikrostruktura. Druga je što je izdržljiviji. Manja poroznost otežava neželjene hemikalije da pronađu put kroz beton, tako da se time bolje štiti armatura iznutra."
