Il giusto mix di legami idrogeno nei compositi polimerici e cementizi è fondamentale per rendere forti, materiale infrastrutturale resistente e duttile, secondo gli scienziati della Rice University che vogliono imitare la meccanica della madreperla e dei compositi naturali simili con materiali sintetici.

Conchiglie di madreperla, alias madreperla, ottengono le loro notevoli proprietà dalla sovrapposizione di dimensioni micron, placche mineralizzate tenute insieme da una matrice morbida. Questa struttura può essere raggiunta da compositi cementizi e polimerici che possono, ad esempio, realizzare un calcestruzzo antisismico migliore, secondo Rouzbeh Shahsavari, un assistente professore di ingegneria civile e ambientale.

Il laboratorio Rice ha eseguito più di 20 simulazioni al computer di come i polimeri e le molecole di cemento si uniscono su scala nanometrica e cosa guida la loro adesione. I ricercatori hanno dimostrato che la vicinanza degli atomi di ossigeno e idrogeno è il fattore critico nella formazione di una rete di deboli legami idrogeno che collega gli strati morbidi e duri. L'acido poliacrilico comune (PAA) si è dimostrato migliore nel legare gli strati sovrapposti dei cristalli di cemento con una sovrapposizione ottimale di circa 15 nanometri.

"Queste informazioni sono importanti per realizzare i migliori compositi sintetici, " disse Shahsavari, che ha gestito il progetto con lo studente laureato Rice Navid Sakhavand. "Un approccio ingegneristico moderno a questi materiali avrà un grande impatto sulla società, soprattutto mentre costruiamo nuove e sostituiamo infrastrutture obsolete".

I risultati del laboratorio vengono visualizzati in Lettere di fisica applicata .

Mentre gli ingegneri capiscono che l'aggiunta di polimeri migliora il cemento bloccando gli effetti dannosi degli ioni "aggressivi" che invadono i suoi pori, i dettagli su come i materiali interagiscono su scala molecolare sono rimasti sconosciuti, ha detto Shahsavari. Per scoprirlo, i ricercatori hanno modellato compositi con PAA e alcol polivinilico (PVA), entrambi i materiali a matrice morbida che sono stati utilizzati per migliorare il cemento.

Hanno scoperto che i due diversi atomi di ossigeno nel PAA (al contrario di uno nel PVA) gli hanno permesso di ricevere e donare ioni mentre si legava con l'idrogeno nei cristalli di cemento tobermorite. L'ossigeno nel PAA aveva otto modi per legarsi con l'idrogeno (sei per il PVA) e poteva anche partecipare ai ponti salini tra il polimero e il cemento, il che rende la rete di incollaggio ancora più complessa.

I ricercatori hanno testato le loro strutture simulate facendo scorrere strati di polimero e cemento l'uno contro l'altro e hanno scoperto che la complessità ha permesso ai legami tra PAA e cemento di rompersi e riconnettersi più frequentemente quando il materiale è stato sollecitato, che ne aumenta notevolmente la tenacità, la capacità di deformarsi senza fratturarsi. Ciò ha permesso ai ricercatori di determinare la sovrapposizione ottimale tra i cristalli di cemento.

"In contrasto con l'intuizione comune che i legami idrogeno siano deboli, quando il giusto numero di loro - la sovrapposizione ottimale - coopera, forniscono connettività sufficiente nel composito per conferire un'elevata resistenza e un'elevata tenacità, " Shahsavari ha detto. "Da un punto di vista sperimentale, questo può essere fatto regolando e controllando attentamente l'aggiunta dei polimeri con il giusto peso molecolare controllando la formazione di minerali di cemento. Infatti, un recente documento sperimentale dei nostri colleghi ha mostrato una prova di concetto verso questa strategia".