Dalla sua invenzione diversi millenni fa, il cemento è diventato strumentale al progresso della civiltà, trovando impiego in innumerevoli applicazioni edili, dai ponti agli edifici. E ancora, nonostante secoli di innovazione, la sua funzione è rimasta principalmente strutturale.

Uno sforzo pluriennale dei ricercatori del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), in collaborazione con il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), ha mirato a cambiarlo. La loro collaborazione promette di rendere il calcestruzzo più sostenibile aggiungendo nuove funzionalità, vale a dire, conducibilità elettronica. La conduttività elettronica consentirebbe l'uso del calcestruzzo per una varietà di nuove applicazioni, che vanno dall'autoriscaldamento all'accumulo di energia.

Il loro approccio si basa sull'introduzione controllata di materiali nanocarbonici altamente conduttivi nella miscela di cemento. In un articolo in Physical Review Materials, convalidano questo approccio presentando i parametri che determinano la conduttività del materiale.

Nancy Soliman, l'autore principale del documento e un postdoc presso il MIT CSHub, ritiene che questa ricerca abbia il potenziale per aggiungere una dimensione completamente nuova a quello che è già un popolare materiale da costruzione.

"Questo è un modello di primo ordine del cemento conduttivo, " spiega. "E porterà [la conoscenza] necessaria per incoraggiare lo scale-up di questo tipo di materiali [multifunzionali]".

Dalla nanoscala allo stato dell'arte

Negli ultimi decenni, i materiali in nanocarbonio sono proliferati grazie alla loro combinazione unica di proprietà, primo fra tutti la conduttività. Scienziati e ingegneri hanno già proposto lo sviluppo di materiali in grado di conferire conduttività al cemento e al calcestruzzo se incorporati all'interno.

Per questo nuovo lavoro, Soliman voleva assicurarsi che il materiale di nanocarbonio selezionato fosse abbastanza abbordabile da essere prodotto su larga scala. Lei e i suoi colleghi hanno optato per il nero nanocarbonico, un materiale di carbonio economico con un'eccellente conduttività. Hanno scoperto che le loro previsioni sulla conduttività erano confermate.

"Il calcestruzzo è naturalmente un materiale isolante, "dice Solimano, "Ma quando aggiungiamo particelle di nanocarbonio nero, passa dall'essere un isolante a un materiale conduttivo."

Incorporando il nero di nanocarbonio in appena il 4% del volume delle loro miscele, Soliman e i suoi colleghi hanno scoperto che potevano raggiungere la soglia di percolazione, il punto in cui i loro campioni potrebbero trasportare una corrente.

Hanno notato che questa corrente aveva anche un risultato interessante:poteva generare calore. Ciò è dovuto al cosiddetto effetto Joule.

"Il riscaldamento Joule (o riscaldamento resistivo) è causato dalle interazioni tra gli elettroni in movimento e gli atomi nel conduttore, spiega Nicolas Chanut, un coautore del documento e un postdoc al MIT CSHub. "Gli elettroni accelerati nel campo elettrico scambiano energia cinetica ogni volta che si scontrano con un atomo, inducendo la vibrazione degli atomi nel reticolo, che si manifesta come calore e aumento di temperatura nel materiale."

Nei loro esperimenti, hanno scoperto che anche una piccola tensione, a partire da 5 volt, potrebbe aumentare le temperature superficiali dei loro campioni (circa 5 cm ³ di dimensioni) fino a 41 gradi Celsius (circa 100 gradi Fahrenheit). Mentre uno scaldabagno standard può raggiungere temperature comparabili, è importante considerare come questo materiale verrebbe implementato rispetto alle strategie di riscaldamento convenzionali.

"Questa tecnologia potrebbe essere ideale per il riscaldamento a pavimento radiante per interni, " spiega Chanut. "Di solito, il riscaldamento radiante interno viene effettuato facendo circolare l'acqua riscaldata in tubi che corrono sotto il pavimento. Ma questo sistema può essere difficile da costruire e mantenere. Quando il cemento stesso diventa un elemento riscaldante, però, il sistema di riscaldamento diventa più semplice da installare e più affidabile. Inoltre, il cemento offre una distribuzione del calore più omogenea grazie all'ottima dispersione delle nanoparticelle nel materiale."

Il cemento nanocarbonico potrebbe avere varie applicazioni all'aperto, anche. Chanut e Soliman credono che se implementato in pavimentazioni in calcestruzzo, il cemento al nanocarbonio potrebbe mitigare la durabilità, sostenibilità, e problemi di sicurezza. Molte di queste preoccupazioni derivano dall'uso del sale per lo sbrinamento.

"Nel Nord America, vediamo molta neve. Per rimuovere questa neve dalle nostre strade è necessario l'uso di sali antigelo, che possono danneggiare il calcestruzzo, e contaminare le falde acquifere, " fa notare Soliman. I camion pesanti utilizzati per le strade del sale sono anche pesanti emettitori e costosi da gestire.

Abilitando il riscaldamento radiante nei pavimenti, il cemento al nanocarbonio potrebbe essere usato per sbrinare i marciapiedi senza sale stradale, risparmiando potenzialmente milioni di dollari in costi operativi e di riparazione, risolvendo al contempo i problemi di sicurezza e ambientali. In alcune applicazioni in cui il mantenimento di condizioni stradali eccezionali è fondamentale, come le piste aeroportuali, questa tecnologia potrebbe rivelarsi particolarmente vantaggiosa.

Fili aggrovigliati

Mentre questo cemento all'avanguardia offre soluzioni eleganti a una serie di problemi, il raggiungimento della multifunzionalità ha posto una serie di sfide tecniche. Ad esempio, senza un modo per allineare le nanoparticelle in un circuito funzionante, noto come cablaggio volumetrico, all'interno del cemento, la loro conduttività sarebbe impossibile da sfruttare. Per garantire un cablaggio volumetrico ideale, i ricercatori hanno studiato una proprietà nota come tortuosità.

"La tortuosità è un concetto che abbiamo introdotto per analogia dal campo della diffusione, " spiega Franz-Josef Ulm, un leader e coautore della carta, professore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT, e il consulente di facoltà presso CSHub. "Nel passato, ha descritto come scorrono gli ioni. In questo lavoro, lo usiamo per descrivere il flusso di elettroni attraverso il filo volumetrico."

Ulm spiega la tortuosità con l'esempio di un'auto che viaggia tra due punti di una città. Mentre la distanza tra quei due punti in linea d'aria potrebbe essere di due miglia, la distanza effettiva percorsa potrebbe essere maggiore a causa del circuito delle strade.

Lo stesso vale per gli elettroni che viaggiano attraverso il cemento. Il percorso che devono compiere all'interno del campione è sempre più lungo della lunghezza del campione stesso. Il grado in cui quel percorso è più lungo è la tortuosità.

Raggiungere la tortuosità ottimale significa bilanciare la quantità e la dispersione del carbonio. Se il carbonio è troppo disperso, il cablaggio volumetrico risulterà scarso, portando ad alta tortuosità. Allo stesso modo, senza abbastanza carbonio nel campione, la tortuosità sarà troppo grande per formare un diretto, cablaggio efficiente con elevata conduttività.

Anche l'aggiunta di grandi quantità di carbonio potrebbe rivelarsi controproducente. Ad un certo punto la conduttività cesserà di migliorare e, in teoria, aumenterebbero i costi solo se implementati su larga scala. A causa di queste complessità, hanno cercato di ottimizzare i loro mix.

"Abbiamo scoperto che mettendo a punto il volume di carbonio possiamo raggiungere un valore di tortuosità di 2, " dice Ulm. "Questo significa che il percorso degli elettroni è solo il doppio della lunghezza del campione".

La quantificazione di tali proprietà era vitale per Ulm e i suoi colleghi. L'obiettivo del loro recente articolo non era solo quello di dimostrare che il cemento multifunzionale era possibile, ma che era praticabile anche per la produzione di massa.

"Il punto chiave è che affinché un ingegnere raccolga le cose, hanno bisogno di un modello quantitativo, " spiega Ulm. "Prima di mescolare i materiali insieme, vuoi essere in grado di aspettarti determinate proprietà ripetibili. Questo è esattamente ciò che delinea questo documento; separa ciò che è dovuto alle condizioni al contorno - condizioni ambientali [estranee] - da ciò che è realmente dovuto ai meccanismi fondamentali all'interno del materiale."

Isolando e quantificando questi meccanismi, Solimano, chanut, e Ulm sperano di fornire agli ingegneri esattamente ciò di cui hanno bisogno per implementare il cemento multifunzionale su scala più ampia. Il percorso che hanno tracciato è promettente e, grazie al loro lavoro, non dovrebbe rivelarsi troppo tortuoso.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.