Una punta di calcio-silicato-idrato (noto anche come cemento) si libra sopra una superficie liscia di tobermorite in una simulazione al computer degli scienziati della Rice University. I ricercatori hanno studiato come interagiscono le forze a livello atomico nei sistemi di particolato quando viene applicato l'attrito. I loro calcoli mostrano che tali materiali possono essere migliorati per applicazioni specifiche controllando le proprietà di legame chimico dei materiali. Credito:Shahsavari Group/Rice University
Anche quando si costruisce in grande, ogni atomo conta, secondo una nuova ricerca sui materiali a base di particelle presso la Rice University.
I ricercatori della Rice Rouzbeh Shahsavari e Saroosh Jalilvand hanno pubblicato uno studio che mostra cosa succede su scala nanometrica quando materiali "strutturalmente complessi" come il cemento, un miscuglio casuale di elementi piuttosto che un cristallo ordinato, si sfregano l'uno contro l'altro. I graffi che lasciano possono dire molto sulle loro caratteristiche.
I ricercatori sono i primi a eseguire calcoli sofisticati che mostrano come le forze a livello atomico influenzino le proprietà meccaniche di un materiale complesso a base di particelle. Le loro tecniche suggeriscono nuovi modi per mettere a punto la chimica di tali materiali per renderli meno soggetti a fessurazioni e più adatti ad applicazioni specifiche.
La ricerca appare sulla rivista American Chemical Society Materiali applicati e interfacce .
Lo studio ha utilizzato calcio-silicato-idrato (C-S-H), alias cemento, come un sistema particellare modello. Shahsavari divenne abbastanza familiare con C-S-H mentre partecipava alla costruzione dei primi modelli in scala atomica del materiale.
C-S-H è la colla che lega le piccole rocce, ghiaia e sabbia nel cemento. Sebbene sembri una pasta prima di indurirsi, è costituito da particelle discrete su nanoscala. Le forze di van der Waals e Coulombic che influenzano le interazioni tra il C-S-H e le particelle più grandi sono la chiave per la resistenza complessiva del materiale e le proprietà di frattura, disse Shahsavari. Ha deciso di dare un'occhiata da vicino a questi e ad altri meccanismi su scala nanometrica.
"Gli studi classici sull'attrito sui materiali esistono da secoli, " disse. "Si sa che se si rende ruvida una superficie, l'attrito aumenterà. Questa è una tecnica comune nell'industria per prevenire lo scivolamento:le superfici ruvide si bloccano a vicenda.
"Quello che abbiamo scoperto è che, oltre alle comuni tecniche di irruvidimento meccanico, modulazione della chimica di superficie, che è meno intuitivo, può influenzare significativamente l'attrito e quindi le proprietà meccaniche del sistema particolato."
Shahsavari ha detto che è un equivoco che la quantità di massa di un singolo elemento, ad esempio, calcio in C-S-H:controlla direttamente le proprietà meccaniche di un sistema particolato. "Abbiamo scoperto che ciò che controlla le proprietà all'interno delle particelle potrebbe essere completamente diverso da ciò che controlla le loro interazioni di superficie, " ha detto. Mentre più contenuto di calcio in superficie migliorerebbe l'attrito e quindi la forza dell'assemblaggio, un contenuto di calcio inferiore andrebbe a beneficio della forza delle singole particelle.
"Questo può sembrare contraddittorio, ma suggerisce che per ottenere proprietà meccaniche ottimali per un sistema di particelle, devono essere escogitate nuove condizioni sintetiche e di lavorazione per collocare gli elementi nei posti giusti, " Egli ha detto.
Uno sguardo dall'alto verso il basso alla punta di una sonda di cemento virtuale mostra la posizione degli atomi, dominato da calcio e silicato. I ricercatori della Rice University hanno utilizzato simulazioni per mostrare che la composizione chimica dei sistemi di particolato influisce sulla resistenza del materiale simulando l'attrito con varie superfici. Credito:Shahsavari Group/Rice University
I ricercatori hanno anche scoperto che il contributo dell'attrazione naturale di van der Waals tra le molecole è molto più significativo delle forze coulombiane (elettrostatiche) in C-S-H. Quella, pure, era dovuto principalmente al calcio, ha detto Shahsavari.
Per testare le loro teorie, Shahsavari e Jalilvand costruirono modelli al computer di C-S-H grezzo e tobermorite liscia. Hanno trascinato una punta virtuale del primo sulla parte superiore del secondo, grattando la superficie per vedere con quanta forza avrebbero dovuto spingere i suoi atomi per spostarli. Le loro simulazioni di graffio hanno permesso loro di decodificare le forze chiave e i meccanismi coinvolti, nonché di prevedere la tenacità alla frattura intrinseca della tobermorite, numeri confermati da esperimenti di altri.
Shahsavari ha affermato che l'analisi a livello atomico potrebbe aiutare a migliorare un'ampia gamma di materiali non cristallini, compresa la ceramica, sabbie, polveri, grani e colloidi.
