美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員近日決定研究納米結(jié)構(gòu)的混凝土，而混凝土是世界上應(yīng)用最廣的材料。而混凝土的最主要原料－水泥在其生產(chǎn)過程中，每年排出的二氧化碳的量占到全球總的5％～10％，對全球氣候變暖產(chǎn)生的影響的非常大。

     在美國《力學(xué)與固體物理》中，MIT的研究人員發(fā)表了論文稱混凝土強(qiáng)度和耐久性的根源在于納米粒子的構(gòu)成，這個(gè)發(fā)現(xiàn)可以對通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝以減少二氧化碳的排放具有重要的影響。

     該文的主要作者說，MIT土木與環(huán)境學(xué)院教授Franz-Josef Ulm說：“利用納米科技對混凝土傳統(tǒng)材料，如水泥進(jìn)行研究能夠得到一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。他暗指自己的研究是在探索納米材料的基因碼。

     目前全世界每年生產(chǎn)水泥23.5億噸，生產(chǎn)的混凝土可供每人消費(fèi)一立方。如果全世界的水泥工業(yè)能夠減少10%的二氧化碳排放量，那么全球?qū)⒛茌^少5.2%的二氧化碳排放量。

     Ulm教授與Georgios Constantinide（一位材料科學(xué)與工程的博士后）研究了納米結(jié)構(gòu)的水泥后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)達(dá)到納米級后，水泥粒子是呈現(xiàn)最緊密堆積狀態(tài)的，排列形狀就像很多橙子堆積起來的金字塔。

     水泥是最古老的建筑材料之一，早在羅馬帝國時(shí)期就開始應(yīng)用。水泥的生產(chǎn)是將石灰石和集料磨碎成粉末，然后在水泥窯內(nèi)煅燒至高溫（大約1500℃），然后再粉磨。當(dāng)水泥與水混合的時(shí)候，水泥粒子在煅燒時(shí)候儲(chǔ)存的能量便會(huì)釋放出來，形成水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）。在微觀結(jié)構(gòu)中，C-S-H凝膠作用主要體現(xiàn)為膠結(jié)砂石等集料，從而生成混凝土。而二氧化碳的排放主要是在水泥煅燒過程中產(chǎn)生的。

     Ulm和Constantinides收集了全世界各地的水泥樣品，使用納米檢測設(shè)備對硬化水泥漿體進(jìn)行觀察。通過原子力顯微鏡觀測混凝土的結(jié)構(gòu)，通過原子探針來判定水泥漿體中不同相對強(qiáng)度的影響，這種檢測方法只用于同相材料，而從未應(yīng)用在像水泥這樣的多相材料中。

     結(jié)果出乎意料，研究發(fā)現(xiàn)全世界各地的水泥C-S-H凝膠無一例外地全部表現(xiàn)出獨(dú)特的納米行為，它們稱之為材料的基因碼，暨當(dāng)達(dá)到納米級別的時(shí)候，水泥漿體乃至混凝土的強(qiáng)度，并不是來自于某一種特殊的礦物，而是決定于礦物的組織形式。

     C-S-H凝膠（大小在5納米左右）有兩種堆積密度。一種是隨機(jī)堆積時(shí)的密度，另外一種是按照幾何方式堆積時(shí)的密度，就像壘金字塔一樣。對于球形物體，這兩種堆積方式具有最大的密度分別63％和74％（占滿空間的體積百分比）。換句話而言，MIT的研究表明水泥材料在納米級別也是按照這種在宏觀情況下來排列的。

     Constantinides先生說：“建筑業(yè)非常講究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是對于水泥顆粒的物理與結(jié)構(gòu)性能理解不深。現(xiàn)在納米材料的監(jiān)測設(shè)備在全世界已經(jīng)開始普及。在20世紀(jì)90年代，全世界只有4～5臺(tái)這樣的設(shè)備，但是現(xiàn)在MIT自己就有5臺(tái)納米檢測的儀器。

     如果研究者能夠發(fā)現(xiàn)或者找到一種不同的礦物來生產(chǎn)水泥，而這種礦物能夠達(dá)到傳統(tǒng)水泥的密度而不要求高的煅燒溫度的話，那么肯定能夠?qū)⑷澜缑磕甑呐欧帕繙p少10%以上。

     Ulm教授說，相關(guān)的研究工作已經(jīng)開始進(jìn)行，估計(jì)至少要持續(xù)5年以上。目前，科研人員看好用鎂的礦物材料來取代水泥中對強(qiáng)度起最主要作用的鈣。

     Ulm教授組建了一直由物理、材料和原子核等方面的專家所組成的研究組來進(jìn)行原子模擬，對混凝土－這種無處不在的材料進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)研究。

     這項(xiàng)研究部分由拉法基（Lafarge）集團(tuán)贊助。