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 萊斯大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出微米級(jí)別的硅酸鈣球體，這種球體可以制造出更堅(jiān)固、更環(huán)保的混凝土，這是世界上最常用的合成材料。

對于萊斯大學(xué)材料科學(xué)家RouzbehShahsavari和研究生Sung Hoon Hwang來講，硅酸鈣球體代表著可以低成本制造的構(gòu)件，并且可以緩解當(dāng)前用于制造水泥的能源密集型技術(shù)的壓力，其中水泥是混凝土中最常見的粘合劑。

研究人員在一種類似洗滌劑的表面活性劑的納米級(jí)種子周圍的溶液中形成球體。這些球體可以被促使自組裝成比普遍存在的波特蘭水泥更堅(jiān)固、更堅(jiān)硬、更有彈性和更耐用的固體。

“水泥沒有最好的結(jié)構(gòu)，”材料科學(xué)和納米工程助理教授Shahsavari說，“水泥顆粒是無定形的和雜亂無章的，這使得它有點(diǎn)容易開裂。但是有了這種材料，我們知道我們的極限是什么，我們可以將聚合物或其他材料引入球體之間，從底部到頂部控制結(jié)構(gòu)，并更準(zhǔn)確地預(yù)測它是如何斷裂的。”

他說這些球體適用于骨組織工程、隔熱、陶瓷和復(fù)合材料以及水泥。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會(huì)Langmuir期刊上。

這項(xiàng)研究工作建立在Shahsavari和Hwang 2017年的一個(gè)項(xiàng)目上，該項(xiàng)目旨在開發(fā)具有多孔、微觀硅酸鈣球體的自愈合材料。這種新材料沒有多孔，因?yàn)楣腆w硅酸鈣殼包圍著表面活性劑種子。

但是像早期的項(xiàng)目一樣，它受到了自然如何協(xié)調(diào)不同材料之間界面的啟發(fā)，特別是在貝殼材料nacre (又名珍珠之母)中。nacre的強(qiáng)度是硬無機(jī)和軟有機(jī)血小板交替出現(xiàn)的結(jié)果。因?yàn)榍蝮w模仿這種結(jié)構(gòu)，所以它們被認(rèn)為是仿生的。

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以通過在制造過程中操縱表面活性劑、溶液、濃度和溫度來控制直徑在100到500納米之間的球體的尺寸。Shahsavari說，這使得他們可以針對不同的應(yīng)用進(jìn)行靈活調(diào)整。

Shahsavari說:“這些是非常簡單但通用的構(gòu)建模塊，是許多生物材料的兩個(gè)關(guān)鍵特征。它們可以支持合成材料的高級(jí)功能。以前，人們曾嘗試用復(fù)合材料制造血小板或纖維構(gòu)件，但這項(xiàng)工作使用球體來制造堅(jiān)固、堅(jiān)韌和適應(yīng)性強(qiáng)的仿生材料。”

“球形很重要，因?yàn)閺幕瘜W(xué)和大規(guī)模制造的角度來看，它們更容易合成、自組裝和放大。”
研究人員使用兩種常用的表面活性劑來制造球體，并將它們的產(chǎn)品壓縮成小球進(jìn)行測試。通過測試他們了解到，基于DTAB的粒料比CTAB粒料或普通水泥壓實(shí)得最好，并且更堅(jiān)韌，彈性模量更高。它們還顯示出高電阻。

Shahsavari稱：“顆粒的大小和形狀對混凝土等散裝材料的機(jī)械性能和耐久性有著重要影響。”他還表示:“擁有一些你可以控制的東西，而不是一種自然隨機(jī)的材料，這是非常有益的。此外，人們可以混合不同直徑的球體，從而填充自組裝結(jié)構(gòu)之間的間隙，導(dǎo)致更高的填充密度，提高機(jī)械和耐用性。”

他還透漏，增加水泥的強(qiáng)度使制造商減少了混凝土的使用量，這不僅減少了重量，還減少了制造水泥所需的能量和與水泥生產(chǎn)相關(guān)的碳排放。因?yàn)榍蝮w比普通水泥中的粗糙顆粒填充得更有效，所以所得材料更能抵抗來自水和其他污染物的損傷離子，并且需要較少的維護(hù)和較少的更換。