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硅酸钙球体可以使混凝土变得更薄、更环保

文章来源：未知更新时间：2018-09-30 09:49:19

莱斯大学的科学家们已经开发出微米级别的硅酸钙球体，这种球体可以制造出更坚固、更环保的混凝土，这是世界上最常用的合成材料。

对于莱斯大学材料科学家RouzbehShahsavari和研究生Sung Hoon Hwang来讲，硅酸钙球体代表着可以低成本制造的构件，并且可以缓解当前用于制造水泥的能源密集型技术的压力，其中水泥是混凝土中最常见的粘合剂。

研究人员在一种类似洗涤剂的表面活性剂的纳米级种子周围的溶液中形成球体。这些球体可以被促使自组装成比普遍存在的波特兰水泥更坚固、更坚硬、更有弹性和更耐用的固体。

“水泥没有最好的结构，”材料科学和纳米工程助理教授Shahsavari说，“水泥颗粒是无定形的和杂乱无章的，这使得它有点容易开裂。但是有了这种材料，我们知道我们的极限是什么，我们可以将聚合物或其他材料引入球体之间，从底部到顶部控制结构，并更准确地预测它是如何断裂的。”

他说这些球体适用于骨组织工程、隔热、陶瓷和复合材料以及水泥。这项研究成果发表在美国化学学会Langmuir期刊上。

这项研究工作建立在Shahsavari和Hwang 2017年的一个项目上，该项目旨在开发具有多孔、微观硅酸钙球体的自愈合材料。这种新材料没有多孔，因为固体硅酸钙壳包围着表面活性剂种子。

但是像早期的项目一样，它受到了自然如何协调不同材料之间界面的启发，特别是在贝壳材料nacre (又名珍珠之母)中。nacre的强度是硬无机和软有机血小板交替出现的结果。因为球体模仿这种结构，所以它们被认为是仿生的。

研究人员发现，他们可以通过在制造过程中操纵表面活性剂、溶液、浓度和温度来控制直径在100到500纳米之间的球体的尺寸。Shahsavari说，这使得他们可以针对不同的应用进行灵活调整。

Shahsavari说:“这些是非常简单但通用的构建模块，是许多生物材料的两个关键特征。它们可以支持合成材料的高级功能。以前，人们曾尝试用复合材料制造血小板或纤维构件，但这项工作使用球体来制造坚固、坚韧和适应性强的仿生材料。”

“球形很重要，因为从化学和大规模制造的角度来看，它们更容易合成、自组装和放大。”
研究人员使用两种常用的表面活性剂来制造球体，并将它们的产品压缩成小球进行测试。通过测试他们了解到，基于DTAB的粒料比CTAB粒料或普通水泥压实得最好，并且更坚韧，弹性模量更高。它们还显示出高电阻。

Shahsavari称：“颗粒的大小和形状对混凝土等散装材料的机械性能和耐久性有着重要影响。”他还表示:“拥有一些你可以控制的东西，而不是一种自然随机的材料，这是非常有益的。此外，人们可以混合不同直径的球体，从而填充自组装结构之间的间隙，导致更高的填充密度，提高机械和耐用性。”

他还透漏，增加水泥的强度使制造商减少了混凝土的使用量，这不仅减少了重量，还减少了制造水泥所需的能量和与水泥生产相关的碳排放。因为球体比普通水泥中的粗糙颗粒填充得更有效，所以所得材料更能抵抗来自水和其他污染物的损伤离子，并且需要较少的维护和较少的更换。

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