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基于海胆的纳米结构,科学家们开发出了抗裂水泥
发布:lee_9124   时间:2017/12/3 22:00:17   阅读:192 
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海胆的特写镜头。来源:康斯坦茨大学

海胆刺主要是由方解石制成的,通常是一种易碎易碎的材料。然而,对于海胆而言,这种刺比单独的原材料要耐用得多。其具有高强度的主要原因在于,大自然是用砖瓦式的建筑来优化材料的。该物理化学研究小组在HelmutCölfen教授的指导下根据“砖和砂浆原理”成功地合成了纳米水平的水泥。在这个过程中,我们发现了宏观分子,它们利用了砂浆的功能,在纳米尺度上把晶体块固定在一起,并以有序的方式组合成块。其目的是使水泥更耐用。这项研究成果发表在2017年12月1日的科学进展杂志上。

Cölfen补充说:“我们的水泥,比迄今为止所开发的任何东西都有着较强的抗裂性,为我们建造新型建筑提供了更多的可能性。”这种水泥制成的柱子可以高达8000米,是目前世界上最高建筑的10倍之多,在此基础上的材料将被它的重量摧毁。而普通的钢只有250兆帕,它的高度也只能达到3000米。

在纳米科学中,砖瓦式的建筑可以与泥瓦匠的工作进行比较:铺设的每一层砖都是用灰泥固定的。这正是大自然用来使海胆脊柱具有弹性的原理。当力作用于脆性的方解石上时,它的水晶块会破裂,然而,能量被转移到一个柔软的无序层。由于这种材料没有解理面,所以可以防止裂纹的进一步破裂。海胆脊柱的一小部分揭示了这一结构原理:有序结构中的水晶块被一个柔软的非晶质区域所包围。对于海胆而言,这种物质是碳酸钙。

蚌壳或骨头的构造方式大致相同。Helmut Cölfen说:“我们的目标是从自然中学习。”仿生学就是利用自然现象来激发技术发展的术语。

水泥本身有一种无序的结构——每一种成分都粘在一起。这意味着:为了利用水泥使得砖和水泥建筑的稳定性获得真正的提升,它的结构必须在纳米级重新组织。Helmut Cölfen将这一过程描述为“在纳米级上对抗裂性的编码。”在这种情况下,它的意思是识别一种只与水泥纳米颗粒结合的物质,而在水泥中没有其他物质。大约有10个带负电荷的肽组合,它们都能很好地粘在一起。

在与斯图加特大学的合作中,研究小组能够利用电子显微镜下的离子束,从直径3微米的纳米结构的水泥中切割出一个条形的微结构。这种微型结构后来用一个微型机械臂弯折。一旦它被释放,微结构就会回到原来的位置。根据微结构的弹性变形,可以计算出机械值。根据这些计算,优化后的水泥弯曲强度可达到了200兆帕。相比之下,在抗裂性的国际标准中,贻贝壳的强度达到了210兆帕,只是稍高一些。今天常用混凝土的强度可达到有两到五兆帕。

见海胆刺和贻贝壳是由方解石制成的,是因为水里有大量的钙。Helmut Cölfen解释说:“人们有比方解石更好的建筑材料,如果我们成功地设计了材料的结构,并再现了大自然的蓝图,我们也将能够制造出更多的抗裂材料——由大自然激发的高性能材料。”


来源:材料科技在线
 
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