I ricercatori della Purdue University che studiano se il calcestruzzo è reso più forte infondendolo con nanocristalli di legno di dimensioni microscopiche si stanno spostando dal laboratorio al mondo reale con un ponte che sarà costruito in California questa primavera.

I ricercatori hanno lavorato con nanocristalli di cellulosa, sottoprodotti generati dalla carta, bioenergia, agricoltura e industrie della pasta di legno, per trovare la migliore miscela per rinforzare il calcestruzzo, il materiale artificiale più comune al mondo.

"Semplicemente uscire là dove le persone possono effettivamente guidarci sopra, Penso, è un passo enorme perché non puoi semplicemente dire che è una curiosità di laboratorio a quel punto. Ha implicazioni nel mondo reale, " ha detto Jeffrey Youngblood, un professore di ingegneria dei materiali alla Purdue.

Il rafforzamento del calcestruzzo potrebbe avere altre implicazioni, come rendere gli oggetti realizzati con il calcestruzzo più sottili e leggeri pur mantenendo la stessa resistenza con un potenziale vantaggio collaterale di ridurre l'anidride carbonica rilasciata nell'atmosfera. I cementifici rappresentano circa l'8% delle emissioni globali di anidride carbonica, una delle principali cause del cambiamento climatico.

Il catalizzatore di questo cambiamento potenzialmente trasformativo è un nanocristallo di cellulosa lungo circa 100 nanometri e largo 5 nanometri, troppo piccolo per essere visto con un normale microscopio. Può essere visto solo usando un microscopio elettronico. Per prospettiva, un capello umano è circa 100, 000 nanometri di larghezza. Eppure la cellulosa è il polimero più diffuso al mondo perché si può ottenere da prodotti in legno, impianti, batteri e alghe.

I nanocristalli di cellulosa rendono il calcestruzzo più resistente attraverso una reazione chimica che aumenta l'idratazione delle particelle di cemento, rendere il cemento più forte, dicono i ricercatori. "La forza del calcestruzzo si ridimensiona con il grado di idratazione. Quindi più è idratato, più è forte, " Youngblood ha detto. "Quindi penseresti che se aggiungi più acqua sarebbe più forte. Il problema è, l'acqua aggiunge pori che la rendono più debole. Ma i nanocristalli di cellulosa migliorano l'idratazione con meno acqua, rendere il cemento più forte”.

Pablo Zavattieri, un professore della Lyles School of Civil Engineering, ha detto che i nanocristalli di cellulosa forniscono una via all'acqua per andare dove è necessaria. Non tutte le particelle di cemento sono idratate quando il calcestruzzo viene miscelato, che ostacola la resistenza e la durabilità del calcestruzzo.

"La cosa buona dei nanocristalli di cellulosa è che creano una sorta di binario per far entrare l'acqua in una particella, ha detto Zavattieri.

Jason Weiss, la cattedra di ingegneria Miles Lowell e Margaret Watt Edwards presso la Oregon State University, che in precedenza era professore alla Purdue, ha detto che i nanocristalli di cellulosa rendono il cemento più efficiente perché è necessaria meno massa per fare qualcosa che sia ugualmente forte.

"Così può essere più sostenibile e più efficiente, " Egli ha detto.

Youngblood ha detto che un altro vantaggio è che il cemento infuso di cellulosa si indurisce più velocemente, il che significa meno attese per l'indurimento del calcestruzzo quando si utilizzano casseforme per realizzare ponti o per trivellazioni petrolifere.

"Perché ogni giorno in cui una troupe è là fuori a non pompare petrolio è un giorno in cui si perde denaro, " disse Youngblood. Campioni di cemento

I ricercatori affermano che il costo dell'utilizzo dei nanocristalli di cellulosa può essere compensato dalla possibilità di utilizzare meno cemento, ma il costo esatto non è stato determinato. Dicono che un fattore determinante sarà l'ampia diffusione dei nanocristalli di cellulosa. Ma anche se solo una piccola percentuale di tutto il calcestruzzo prodotto utilizzasse i nanocristalli di cellulosa, avrebbe un grande impatto solo perché l'uso concreto è così onnipresente.

I ricercatori affermano che il lavoro per ridimensionare il cemento e preparare il ponte in California è una partnership tra Purdue, Università statale dell'Oregon, P3Nano e altri. P3Nano è una partnership pubblico-privata progettata per supportare la commercializzazione di nanomateriali cellulosici. P3Nano è stato attivamente coinvolto nelle prove su vasta scala ed è lo sponsor del progetto presso l'Oregon State University per dimostrare le applicazioni su vasta scala dei nanocristalli di cellulosa in ponti e lastre piatte. L'esatto ponte in California in cui verrà utilizzato il cemento infuso di cellulosa non è stato ancora determinato.

I ricercatori della Purdue hanno iniziato a esaminare la cellulosa un decennio fa in collaborazione con Robert Moon, un ricercatore dell'U.S. Forest Service Forest Products Laboratory, che all'epoca aveva sede a Purdue. Il Servizio Forestale cercava usi per malati, tronchi danneggiati e di piccolo diametro, che abbondano nelle foreste.

Sangue giovane, che lavora principalmente con la plastica, ha affermato che inizialmente la sfida era determinare dove potevano essere utilizzati i nanocristalli di cellulosa solubili in acqua. L'idea di usarlo nel cemento gli è venuta mentre scavava una buca di palo e preparava il cemento. È lì che è iniziata la ricerca.

Youngblood ha detto che i ricercatori hanno scoperto rapidamente che i nanocristalli di cellulosa hanno reso il cemento più forte, ma non sapevano perché.

"Sono andato nell'ufficio di Jason Weiss e gli ho mostrato i dati e lui ha detto che non dovrebbe funzionare perché i nanocristalli di cellulosa sono troppo piccoli. È stato allora che ci siamo resi conto che avevamo qualcosa, perché se qualcosa si basa su come funzionano normalmente le cose, sulla base di teorie o altro, non dovrebbe funzionare e lo fa, è quando di solito hai trovato qualcosa di importante, " Youngblood ha detto. "Ecco come è iniziato tutto".

La ricerca è stata finanziata in parte dalla National Science Foundation. Weiss ha affermato che il lavoro dell'NSF ha portato a paste testate che hanno aiutato i ricercatori a capire che i nanocristalli di cellulosa non agiscono come le fibre convenzionali, ma piuttosto alterano la microstruttura.

Blaine Kunkel, CEO di Nano-Green Biorefineries Inc., che ha un accordo di licenza con l'Ufficio per la commercializzazione della tecnologia della Purdue Research Foundation per commercializzare la tecnologia, ha affermato che l'azienda è entusiasta del potenziale dei nanocristalli di cellulosa.

"La consideriamo una tecnologia di trasformazione, " Egli ha detto.