Cementový kompozit inšpirovaný lastúrami je až 19-krát pružnejší
- Autor:
- Roman Mališka
- Zverejnené:
- 19. 6. 2024
- Hodnotenie:
- Už ste hlasovali.
Inšpirovaní lesklou výstelkou lastúr mäkkýšov vytvorili vedci cementový kompozit, ktorý je až 19-krát pružnejší a 17-krát odolnejší voči prasklinám ako bežný cement. Jeho vlastnosti by sa mohli uplatniť v krehkých keramických materiáloch, ako je porcelán a betón.
Príroda je známa tým, že vyvíja ľahké a zároveň odolné materiály s použitím obmedzených, skromných materiálov usporiadaných do dômyselnej architektúry. Vezmime si napríklad perleť. Lesklá vnútorná výstelka schránok niektorých mäkkýšov je organicko-anorganický kompozit, ktorý sa skladá z 3D tehlového a murivového vzoru zo šesťuholníkových plátov aragonitu, tvrdého minerálu, zlepeného mäkkým, hyperelastickým biopolymérom.
Hoci sú pláty aragonitu veľmi krehké, pružnosť biopolyméru im umožňuje posúvať sa v reakcii na ťahové napätie, vďaka čomu je perleť pevný materiál, ktorý sa môže výrazne deformovať pred zlomením. Výskumníci z Katedry stavebného a environmentálneho inžinierstva na Princetonskej univerzite teraz vytvorili nový, lepší cementový kompozit napodobnením architektúry prírodnej perlete.
„Táto synergia medzi tvrdými a mäkkými zložkami je rozhodujúca pre pozoruhodné mechanické vlastnosti perlete,“ povedal Shashank Gupta, hlavný autor štúdie. „Ak dokážeme vytvoriť betón tak, aby odolával šíreniu trhlín, môžeme ho urobiť pevnejším, bezpečnejším a odolnejším.“
Na výrobu kompozitného materiálu pripomínajúceho perleť výskumníci vytvorili listy so šesťuholníkových plátov z cementovej pasty a navrstvovali ich oddelené polyvinyl siloxanom (PVS), ktorý pôsobil ako hyperelastický biopolymér. Mechanická odozva kompozitu sa potom testovala pomocou nosníkov vyrobených z tohto materiálu a porovnávala sa s nosníkmi vyrobenými z pevnej (monolitickej) liatej cementovej pasty.
Nosníky boli podrobené skúške trojbodovým ohybom so zárezmi, pri ktorej sa v strede nosníka vyvíja tlak smerom nadol a na každom konci tlak smerom nahor, aby sa vyhodnotila odolnosť voči trhlinám alebo pevnosť v lome. Skúšky ukázali, že „tvrdé“ nosníky z liatej cementovej pasty boli krehké; keď dosiahli bod porušenia, náhle a úplne sa zlomili, pretože nemali žiadnu pružnosť. Naproti tomu kompozitné nosníky podobné perleti vykazovali 19-násobnú pevnosť v ťahu a 17,1-násobnú pevnosť v lome oproti kontrolným nosníkom, pričom si zachovali takmer rovnakú pevnosť ako pred testami.
„Naším prístupom inšpirovaným biotechnikou nie je jednoduché napodobňovanie mikroštruktúry prírody, ale učenie sa zo základných princípov a ich využitie pri navrhovaní materiálov vyrobených človekom,“ povedal Reza Moini, zodpovedajúci autor štúdie. „Jedným z kľúčových mechanizmov, ktoré robia perleťovú škrupinu pevnou, je kĺzanie plátov na úrovni nanometrov. V tejto práci sa zameriavame na mechanizmus kĺzania plátov pomocou inžinierstva zabudovanej tabuľkovej štruktúry cementovej pasty v rovnováhe s vlastnosťami polyméru a rozhrania medzi nimi. Inými slovami, úmyselne navrhujeme defekty v krehkých materiáloch ako spôsob, ako ich konštrukčne spevniť.“
Samozrejme, tieto výsledky boli dosiahnuté v laboratóriu. Výskumníci plánujú testovať bioinšpirovaný cementový kompozit v reálnych podmienkach a skúmajú, či sa jeho mechanické vlastnosti dajú využiť na zvýšenie odolnosti proti prasklinám iných materiálov, ako sú betón a porcelán. Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Advanced Functional Materials.
