این سیمان ۱۹ برابر انعطاف‌پذیرتر از سیمان معمولی است!

محققان سیمانی بسیار انعطاف‌پذیر و مقاوم با الهام از ساختار صدف‌های نرم‌تن تولید کرده‌اند که ۱۹ برابر انعطاف‌پذیرتر و ۱۷ برابر مقاوم‌تر در برابر تَرَک نسبت به سیمان معمولی است. این خواص می‌تواند به مواد سرامیکی شکننده مانند چینی و بتن نیز اعمال شود!

الهام از طبیعت برای ایجاد مواد محکم و سبک

طبیعت با استفاده از مواد محدود و ساده، مواد بسیار سبک و مقاوم تولید می‌کند. به عنوان مثال پوشش داخلی براق برخی از صدف‌ها یا همان مادر مروارید (Nacre)، یک ترکیب آلی-معدنی است که از الگوی آجر و ملات سه‌بعدی تشکیل شده است. این الگو شامل صفحات شش‌ضلعی آراگونیت (یک ماده معدنی سخت) است که توسط یک بیوپلیمر بسیار الاستیک و نرم به هم چسبیده‌اند.

اگرچه قرص‌های آراگونیت بسیار شکننده هستند، انعطاف‌پذیری بیوپلیمر به آنها اجازه می‌دهد تا در پاسخ به تنش کششی جابه‌جا شوند، که باعث می‌شود Nacre ماده‌ای مقاوم باشد که قبل از شکستن به‌طور قابل توجهی تغییر شکل می‌دهد. اکنون، محققان دانشگاه پرینستون با تقلید از ساختار طبیعی این ماده، یک ترکیب سیمانی جدید و برتر ایجاد کرده‌اند.

ترکیب سیمانی شبیه به پوسته داخلی صدف

شاشانک گوپتا، دانشجوی دکتری مهندسی پرینستون و نویسنده اصلی مطالعه، گفت:

“این هم‌افزایی بین اجزای سخت و نرم برای خواص مکانیکی برجسته Nacre حیاتی است. اگر بتوانیم بتن را به گونه‌ای مهندسی کنیم که در برابر گسترش ترک مقاومت کند، می‌توانیم آن را قوی‌تر، ایمن‌تر و بادوام‌تر کنیم.”

برای ساخت این ماده مرکب شبیه به پوسته داخلی صدف، محققان قرص‌های شش‌ضلعی از صفحات سیمانی ایجاد و آنها را لایه‌بندی کردند و خودِ این لایه‌ها نیز توسط پلی‌وینیل سیلوکسان (PVS) که به عنوان بیوپلیمر بسیار الاستیک عمل می‌کرد از یکدیگر جدا شدند. سپس واکنش مکانیکی این ترکیب با استفاده از تیرهایی ساخته‌شده از این ماده آزمایش و با تیرهای ساخته‌شده از خمیر سیمان جامد (یکپارچه) مقایسه شد.

نتایج آزمایش‌های مکانیکی

تیرها تحت آزمایش خمس با شکاف سه‌نقطه‌ای (۳PB) قرار گرفتند، جایی که فشار رو به پایین در وسط تیر و فشار رو به بالا در هر انتها قرار می‌گیرد تا مقاومت در برابر تَرَک یا سختی مقابل شکست ارزیابی شود. آزمایش‌ها نشان داد که تیرهای سیمانی سخت و یکپارچه در نقطه شکست به‌طور کامل و ناگهانی شکستند زیرا قابلیت انعطاف‌پذیری نداشتند. در مقابل، تیرهای مرکب شبیه به پوسته داخلی صدف ۱۹ برابر انعطاف‌پذیری و ۱۷.۱ برابر سختی  در برابر شکست تیرک‌های کنترلی را نشان دادند، در حالی که تقریباً همان قدرت را حفظ کردند.

استفاده از اصول طبیعت در مهندسی مواد

رضا معینی، رئیس آزمایشگاه مواد مهندسی شده و تولید افزایشی (AM2) در پرینستون و نویسنده مسئول مطالعه، گفت:

“رویکرد ما این نیست که تنها ساختار میکروسکوپی طبیعت را تقلید کنیم، بلکه باید از این اصول اساسی یاد بگیریم و از آن برای مهندسی مواد انسانی استفاده کنیم. یکی از مکانیزم‌های کلیدی که یک صدف را مقاوم می‌کند، لغزش قرص‌ها در سطح نانومتری است. در اینجا، ما بر مکانیزم لغزش قرص‌ها تمرکز کرده و ساختار تاب‌دار سیمان را در تعادل با خواص پلیمر و رابط بین آنها مهندسی می‌کنیم. به عبارت دیگر، ما به عمد عیب‌هایی را در مواد شکننده مهندسی می‌کنیم تا آنها را قوی‌تر کنیم.”

آزمایش‌های آینده و کاربردهای واقعی

این نتایج در آزمایشگاه به دست آمده‌اند و محققان قصد دارند ترکیب سیمانی الهام‌گرفته از طبیعت را در محیط‌های واقعی آزمایش کنند و بررسی کنند که آیا خواص مکانیکی آن می‌تواند برای افزایش مقاومت در برابر ترک سایر مواد مانند بتن و چینی استفاده شود.

معینی گفت:

“ما تنها سطح را خراشیده‌ایم”