Gli scienziati della Rice University hanno stabilito che non importa quanto grande o piccolo sia un pezzo di tobermorite, risponderà alle forze di carico esattamente nello stesso modo. Ma colpirlo con una punta acuminata cambierà la sua forza.

La tobermorite è un analogo cristallino naturale del calcio-silicato-idrato (C-S-H) che costituisce il cemento, che a sua volta lega il cemento, il materiale più utilizzato al mondo. Si crede che una forma di tobermorite usata dagli antichi romani sia la chiave della forza leggendaria delle loro strutture in cemento sottomarine.

Il materiale finemente stratificato si deformerà in modi diversi a seconda di come le forze standard:taglio, compressione e tensione:vengono applicate, ma la deformazione sarà coerente tra le dimensioni del campione, secondo lo scienziato dei materiali di riso Rouzbeh Shahsavari. Ha condotto la ricerca, che appare in Natura è ad accesso aperto Rapporti scientifici , con l'autore principale e studente laureato Lei Tao.

Per il loro ultimo sondaggio, Shahsavari e Tao hanno costruito modelli di dinamica molecolare del materiale. Le loro simulazioni hanno rivelato tre meccanismi molecolari chiave all'opera nella tobermorite che sono probabilmente anche responsabili della forza di C-S-H e di altri materiali stratificati. Uno è un meccanismo di spostamento in cui gli atomi sotto stress si muovono collettivamente mentre cercano di rimanere in equilibrio. Un altro è un meccanismo diffusivo in cui gli atomi si muovono in modo più caotico. Hanno scoperto che il materiale mantiene la sua integrità strutturale meglio sotto il taglio, e meno sotto carico di compressione e poi di trazione.

Più interessante per i ricercatori era il terzo meccanismo, da cui si sono formati i legami tra gli strati quando si preme un nanoindentatore nel materiale. Un nanoindentatore è un dispositivo (simulato in questo caso) utilizzato per testare la durezza di volumi molto piccoli di materiali. L'elevata sollecitazione nel punto di indentazione ha provocato trasformazioni di fase locali in cui la struttura cristallina del materiale si è deformata e ha creato forti legami tra gli strati, un fenomeno non osservato sotto forze standard. La forza del legame dipendeva sia dalla quantità di forza che, a differenza dei fattori di stress su macroscala, la dimensione della punta.

"C'è uno stress significativo proprio sotto la piccola punta del nanoindentatore, " Shahsavari ha detto. "Questo collega gli strati vicini. Una volta rimossa la punta, la struttura non torna alla configurazione originale. Questo è importante:queste trasformazioni sono irreversibili.

"Oltre a fornire una comprensione fondamentale sui principali meccanismi di deformazione, questo lavoro scopre la vera risposta meccanica del sistema sotto piccoli carichi localizzati (rispetto a quelli convenzionali), come la nanoindentazione, " ha detto. "Se la modifica della dimensione della punta (e quindi della topologia interna) altera la meccanica, ad esempio, rendere il materiale più forte, quindi si potrebbe utilizzare questa funzione per progettare meglio il sistema per particolari carichi localizzati."

Shahsavari è un assistente professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali e nanoingegneria.