據(jù)外媒報道，自從我們開始生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施以來，大自然的力量就一直勝過我們用來建造基礎(chǔ)設(shè)施的材料。每年冰雪都把主要道路變成碎石，盡管建筑堅固房屋的地基還是有裂縫。除了水泥碎塊產(chǎn)生的成噸的廢物外，美國每年還要花費(fèi)約24000美元用于對公路的維修。

為了解決這個問題，工程師通常會通過增加碳的含量來增強(qiáng)材料的功能，但這樣做會使材料失去一些機(jī)械性能。現(xiàn)在，來自美國西北大學(xué)的研究人員通過將納米顆粒引入普通水泥中以此形成一種更智能、更耐用、功能更強(qiáng)的水泥。

這項研究于2021年6月21日發(fā)表在《Philosophical Transactions of the Royal Society A》上。

水泥是全球消費(fèi)最廣泛的材料，該材料行業(yè)占人類造成的溫室氣體排放的8%，為此，土木與環(huán)境工程教授Ange-Therese Akono轉(zhuǎn)向納米增強(qiáng)水泥尋求解決方案。該研究的論文第一作者、麥考密克工程學(xué)院助理教授Akono表示，雖然納米材料減少了水泥復(fù)合材料的碳足跡，但到目前為止，很少有人知道它對斷裂行為的影響。

Akono說道：“在此之前，人們還不了解納米顆粒在這一應(yīng)用中的作用，所以這是一個重大突破。作為一名經(jīng)過培訓(xùn)的斷裂力學(xué)專家，我想了解如何改變水泥產(chǎn)量來提高裂縫響應(yīng)。”

傳統(tǒng)的斷裂測試是將一束光束投射到一大塊材料上，這種測試需要大量的時間和材料且很少能發(fā)現(xiàn)新材料。

不過Akono的實驗室通過使用一種叫做劃痕測試的創(chuàng)新方法在很短的時間內(nèi)有效地對材料的性能進(jìn)行了預(yù)測。該方法通過對微觀水泥鉆頭表面施加一個增大垂直力的錐形探針來測試裂縫響應(yīng)。Akono在她的博士工作期間開發(fā)了這種新方法，她稱這種方法需要更少的材料并加速了新材料的發(fā)現(xiàn)。

Akono說道：“我可以同時觀察許多不同的材料。我的方法直接應(yīng)用于微米和納米尺度，它節(jié)省了相當(dāng)多的時間。然后在此基礎(chǔ)上，我們可以了解材料的行為，它們是如何開裂的并最終預(yù)測它們的抗斷裂能力。”

另外，通過劃痕測試形成的預(yù)測也允許工程師對材料做出改變從而在更大范圍內(nèi)提高其性能。在論文中，石墨烯納米片被用于提高普通水泥的抗斷裂能力，這種材料在形成智能材料方面迅速得到普及。少量納米材料的加入還改善了水輸運(yùn)性能，其中包括孔隙結(jié)構(gòu)和水滲透阻力，它們相對降低了76%和78%。

該研究涉及許多領(lǐng)域，包括建筑施工、道路維護(hù)、傳感器和發(fā)電機(jī)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

聯(lián)合國預(yù)測，等到2050年，世界人口的2/3將集中在城市?？紤]到城市化的趨勢，水泥產(chǎn)量預(yù)計將會飆升。采用更輕、性能更好的水泥的綠色混凝土將通過延長維護(hù)時間和減少浪費(fèi)來減少整體碳足跡。

另一方面，智能材料使城市能滿足不斷增長的人口在連通性、能源和多功能方面的需求。包括石墨烯納米片在內(nèi)的碳基納米材料已經(jīng)被考慮用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的智能水泥傳感器的設(shè)計中。

Akono表示，她對論文在自己實驗室的后續(xù)研究及她的研究將影響他人的方式感到興奮。她已經(jīng)在研究利用建筑垃圾來形成新的混凝土的提案，另外還考慮通過增加水泥中納米材料的比例來進(jìn)一步發(fā)展這篇論文。

Akono表示：“我想看看其他資產(chǎn)如了解長期表現(xiàn)。例如，如果你有一個由碳基納米材料組成的建筑，你怎么能預(yù)測10年、20年甚至40年的阻力？”

據(jù)悉，Akono將在英國皇家學(xué)會10月份的會議上講究《A Cracking Approach to Inventing Tough New Materials:Fracture Stranger Than Friction》論文發(fā)表講話。講話將突出介紹過去一個世紀(jì)以來斷裂力學(xué)的重大進(jìn)展。