Інженери Прінстонського університету розробили новий цементний композит, натхненний природним матеріалом — перламутром черепашок, що значно підвищив його міцність і гнучкість. Цей матеріал виявився у 17 разів стійкішим до розтріскування і в 19 разів більш гнучким та деформованим без руйнування порівняно з традиційним цементом. Це відкриття може допомогти покращити стійкість до розтріскування різних крихких керамічних матеріалів, включаючи бетон і порцеляну.
«Якщо ми зможемо розробити цемент, який утримуватиме поширення тріщин, це значно підвищить його міцність, безпеку і тривалість», — зазначив дослідник Шашенк Гупта, аспірант лабораторії Резі Моїні на факультеті цивільної та екологічної інженерії.
У своєму дослідженні, опублікованому 10 червня в журналі Advanced Functional Materials, група під керівництвом Моіні, доцента кафедри цивільної та екологічної інженерії, використовувала біологічний дизайн для створення цементного композиту, натхненного структурою перламутру. Цей матеріал відзначається високою міцністю завдяки ковзанню шарів твердого мінералу арагоніту під м’яким біополімером, що забезпечує йому гнучкість і стійкість до розтріскування.
Команда Прінстона використовувала цей біологічний підхід для створення композитів зі звичайних будівельних матеріалів, таких як портландцемент, у поєднанні з обмеженою кількістю полімеру. Шари цементної пасти чергували з тонкими шарами полівінілсилоксану, що дозволило досягти значного покращення міцності і пластичності матеріалу.
Експериментальні тести показали, що балки з рифленою або нерифленою структурою мають підвищену пластичність і стійкість до розтріскування порівняно з традиційними монолітними матеріалами. Найбільш вражаючі результати були отримані з балками, де листи цементної пасти були повністю розділені на шестикутні таблетки, подібні до структури перламутру. Ці матеріали виявилися в 19 разів більш пластичними і в 17 разів більш стійкими до розтріскування, зберігаючи майже таку ж міцність, як традиційний цемент.
«Наш підхід полягає в тому, щоб не просто імітувати природну мікроструктуру, а використовувати її принципи для створення нових матеріалів, які мають покращені властивості», — пояснив Моіні. «Ми зосереджуємося на механізмі ковзання таблеток і взаємодії між твердими та м’якими компонентами, що є важливим для досягнення високих механічних властивостей».
Дослідники продовжують працювати над вдосконаленням своїх матеріалів і вивчають можливості їх застосування у будівництві та інших галузях, що вимагають міцних і стійких конструкцій.