由萊斯大學開發的納米級的填充硅酸鈣球是一種很有前途的材料，它可以生產出更堅固，更環保的混凝土。圖片來源：多元材料實驗室/萊斯大學
萊斯大學的科學家們開發出了微米級的硅酸鈣球，這種球體可以製造出更堅固、更環保的混凝土，這是世界上最常用的合成材料。
對於萊斯的材料科學家Rouzbeh Shahsavari和研究生Sung Hoon Hwang來說，這種球體代表了可以以低成本製造的建築材料，並且可以緩解當前用於製造水泥的能源密集型技術的壓力，其中水泥是混凝土中最常見的粘合劑。
研究人員在一種類似洗滌劑的表面活性劑的納米級種子周圍的溶液中形成球體。與普通硅酸鹽水泥相比，這些球體可以自動組裝成更堅固、更硬、更有彈性、更耐用的固體。
“水泥沒有最好的結構，”材料科學和納米工程助理教授Shahsavari說。“水泥顆粒是無定形和無序的，這使得它很容易產生裂縫。但有了這種材料，我們知道我們的極限是什麼，我們可以在球體之間引入聚合物或其他材料，從下到上控制結構，更準確地預測它如何斷裂。”
他說，這種球體適用於骨組織工程，絕緣材料，陶瓷和複合材料以及水泥。
該研究發表在美國化學學會期刊《Langmuir》上。
這項工作以Shahsavari和Hwang在2017年的一個項目為基礎，該項目旨在開發具有多孔微觀硅酸鈣球的自修復材料。這種新材料不是多孔的，因為固體硅酸鈣殼包裹著表面活性劑種子。
在萊斯大學合成的硅酸鈣球體，在壓縮下被壓縮成小球。這些球體是可以以低成本製造的建築材料，有望減輕目前用於製造水泥的能源密集型技術的影響。水泥是混凝土中最常見的粘合劑。圖片來源：多元材料實驗室/萊斯大學
但就像早期的項目一樣，它的靈感來自於不同材料之間的自然協調，尤其是珍珠(又名珍珠母)貝殼的材料。珍珠的強度是硬的無機血小板和軟的有機血小板交替作用的結果。因為球體模仿這種結構，它們被認為是仿生的。
研究人員發現，他們可以通過操縱表面活性劑、溶液、濃度和製造過程中的溫度來控制直徑在100到500納米之間的球體的大小。 Shahsavari表示，這可以讓他們針對應用程序進行調整。
“這些都是非常簡單但通用的構件，是許多生物材料的兩個關鍵特徵，”Shahsavari說。 “它們使合成材料具有先進的功能。在此之前，人們曾試圖製造用於複合材料的血小板或纖維構建塊，但這一工程使用球體來製造堅固、堅韌和適應性強的仿生材料。
“球體形狀很重要，因為它們更容易合成，自組裝，並且從化學和大規模製造的角度擴大規模。”
在測試中，研究人員使用兩種常見的表面活性劑製造球體，並將其產品壓縮成顆粒進行測試。他們瞭解到與CTAB顆粒或普通水泥相比，基於DTAB的顆粒壓實效果最好，硬度更好，彈性模量也更高。它們還表現出高電阻。
Shahsavari說，顆粒的大小和形狀一般對混凝土等散裝材料的機械性能和耐久性有顯著影響。他說：“擁有一些你可以控制的東西是非常有益的，而不是隨機性質的材料。”“此外，人們還可以將不同直徑的球體混合，以填充自組裝結構之間的空隙，從而提高填料密度，從而提高機械性能和耐久性。”
他說，增加水泥的強度可以使製造商減少混凝土的使用量，不僅減少了重量，還減少了製造水泥所需的能源以及與水泥生產相關的碳排放。由於球體比普通水泥中的參差不齊的顆粒更有效地填充，因此所得到的材料將更耐受來自水和其他汙染物的破壞性離子，並且需要更少的維護和更少的更換頻率。
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