Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã tìm thấy một cách để “lập trình” hạt xi măng thành các hình dạng cụ thể để làm bê tông bền vững hơn, ít xốp, và thân thiện hơn với môi trường.
Bê tông đã có một số tiến bộ khá thú vị trong vài năm qua, làm cho vật liệu chịu lửa tốt hơn, uốn cong được, và thậm chí tự liền lại.
Để cải thiện bê tông, nhóm đã nghiên cứu ở quy mô nano, nghiên cứu cách xi măng canxi silicat hydrat (C-S-H) kết tinh, và sử dụng cách đó để tổng hợp các hạt C-S-H thành các hình dạng cụ thể. Thay vì các đốm màu vô định hình mà các hạt này thường hình thành, nhóm nghiên cứu biến chúng thành hình khối, lăng trụ chữ nhật, dạng nhánh cây, lõi – khung và khối hộp thoi, có thể tập hợp lại dày đặc hơn. Kết quả cuối cùng thu được là bê tông tốt hơn trong việc giữ nước và ngăn ngừa vật liệu bị phá hủy từ bên trong.
Nghiên cứu này là bước đầu tiên trong việc kiểm soát động học của xi măng để có được hình dạng mong muốn. Các nhà khoa học cho thấy cách kiểm soát các hình thái và kích thước của các khối cấu trúc cơ bản của C-S-H để chúng có thể tự lắp ráp thành vi cấu trúc với mật độ dày đặc hơn nhiều so với vi cấu trúc C-S-H vô định hình thông thường.
Để điều chỉnh các hạt tạo thành các hình dạng trên, nhóm nghiên cứu bổ sung các hợp chất có hoạt tính bề mặt và calcium silicate có điện tích dương hoặc âm, trước khi cho hỗ hợp C-S-H tiếp xúc với carbon dioxide và sóng siêu âm. Thay đổi số lượng calcium silicate gây ảnh hưởng tới các hình dạng các hạt sẽ hình thành: một lượng ít hơn sẽ tạo ra nhiều hình cầu và hình khối nhỏ, nhiều hơn sẽ dẫn đến kết quả là những khối kết hình cầu và hình khối lồng vào nhau.
Sau khoảng 25 phút, các “hạt giống” tinh thể được hình thành xung quanh các chất hoạt tính bề mặt, và chỉ thị những phân tử khác gần đó tự lắp ráp thành các phiên bản lớn hơn của những hình dạng trên. Nhóm nghiên cứu đã có thể kiểm soát số lượng, kích thước và hình dạng của các hạt bằng cách điều chỉnh mật độ các hạt giống ban đầu, nhiệt độ và thời gian của quá trình thành tạo. Dữ liệu này sau đó được ánh xạ vào một sơ đồ hình thái thống nhất có thể được chia sẻ với các nhà sản xuất và các nhà xây dựng, cho phép họ thiết kế bê tông có các tính chất như mong muốn.
Trong thử nghiệm, các hạt giống hình thành đầu tiên và tự động, sau đó chúng chi phối quá trình hình thành của vật chất còn lại xung quanh. Ở đây sự tăng trưởng qua trung gian hạt giống và không đòi hỏi phải bổ sung các hạt giống từ bên ngoài, không giống như thường được thực hiện trong ngành công nghiệp để thúc đẩy tinh thể hóa và phát triển.
Để kiểm tra độ bền của các hạt có hình dạng khác nhau, nhóm nghiên cứu sử dụng một hệ đo độ cứng nano với mũi kim cương nghiền nát hàng trăm phân tử theo từng cá thể một, đưa ra dữ liệu cơ khí chi tiết. Trước đây chưa có nhóm nghiên cứu xi măng và bê tông nào từng thí nghiệm các cơ chế của phân tử C-S-H đơn và tác động của hình dạng đến cơ học của các phân tử.
Sản xuất bê tông là một trong những tác nhân lớn nhất trong phát thải khí nhà kính, và mặc dù nghiên cứu gần đây cho thấy rằng loại vật liệu này có thể là một bể chứa cácbon đáng kể có thể bù đắp được chi phí môi trường của chính nó, việc tìm cách làm giảm lượng xi măng sản xuất vẫn là một ưu tiên. Kỹ thuật mới của nhóm nghiên cứu Rice có nhiều thuận lợi đối với điểm này.
Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra những ưu điểm của loại bê tông mới: thứ nhất là vì nó có cấu trúc chắc chắn hơn nên khối lượng cần sử dụng sẽ ít hơn; thứ hai là nó bền hơn, do độ xốp thấp làm cho các hóa chất không mong muốn khó khăn hơn trong việc len qua bê tông, vì vậy cốt thép bên trong sẽ được bảo vệ tốt hơn.
N.K.L (NASATI), Theo http://newatlas.com/programmable-cement-stronger-concrete/46839/