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

對于萊斯大學材料科學家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固、更堅硬、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)，并更準確地預測它是如何斷裂的。”

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

這項研究工作建立在Shahsavari和Hwang 2017年的一個項目上，該項目旨在開發(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，因為固體硅酸鈣殼包圍著表面活性劑種子。

但是像早期的項目一樣，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的強度是硬無機和軟有機血小板交替出現(xiàn)的結(jié)果。因為球體模仿這種結(jié)構(gòu)，所以它們被認為是仿生的。

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用進行靈活調(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關(guān)鍵特征。它們可以支持合成材料的高級功能。以前，人們曾嘗試用復合材料制造血小板或纖維構(gòu)件，但這項工作使用球體來制造堅固、堅韌和適應性強的仿生材料。”

“球形很重要，因為從化學和大規(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得最好，并且更堅韌，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，導致更高的填充密度，提高機械和耐用性。”

他還透漏，增加水泥的強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。因為球體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和較少的更換。