Молекулярные секреты ракушек позволят сделать бетон более долговечным

Молекулярная структура природных материалов, таких как кости и ракушки, может дать подсказку, как сделать бетон более крепким и долговечным. Так считают ученые из Массачусетского технологического института. (с) Christine Daniloff / MIT  

 

В статье, опубликованной в научном журнале Construction and Building Materials, исследователи проанализировали структуру цементной пасты в сравнении с природными материалами, такими как кость, раковины моллюсков и морские губки. Они отметили, что материалы естественного происхождения, например раковины морских моллюсков, отличаются особой прочностью именно из-за того, как располагаются в них элементы на всех уровнях — от микроскопического  до «макро», видимого невооруженным глазом.

Естественные природные системы образуют прочнейшие материалы, используя ограниченный набор доступных строительных элементов и при минимальных затратах энергии. И не удивительно: ведь за этим стоят миллионы лет эволюции.

Создавая что-то новое, человек часто пытается подражать природе. Например, застежка-липучка («велкро») имитирует колючки репейника, а братьев Райт, когда они придумывали первые модели самолетов, вдохновлял полет голубей.

Недавно внимание ученых привлек перламутр — тот радужный слой, который изнутри покрывает раковину моллюска. Слои перламутра прочно скрепляет между собой минеральная структура, похожая на кирпичную кладку. Профессор Массачусетского технологического института Орэл Буюкозтюрк, возглавлявший исследовательскую группу, считает, что дома и мосты можно сделать долговечнее, если умело перенять секреты природы.

— Идея в том, что инфраструктура состоит из строительных материалов, а они со временем разрушаются, — говорит он.

Пытаясь понять, как улучшить качество материалов, ученые используют многоуровневый подход, начиная с самых базовых уровней.

Так, наиболее широко распространенный портландский бетон представляет собой произвольную смесь минеральных заполнителей (песка, щебня), скрепленную цементом. Крепость бетона зависит от того, много ли в нем образуется пор. Пористый бетон более подвержен образованию трещин, а большинство известных нам технологий изготовления смесей почти не влияют на молекулярную структуру конечной смеси. Бионика (заимствование в технике принципов живой природы) поможет создать улучшенный цемент, в этом уверен соавтор исследования Адмир Мазик.

 

Схема, показывающая материалы при разной степени увеличения. Слева направо: кость, морская губка, перламутр, цементная паста. Согласно последним исследованиям, пристальное внимание к структуре на всех уровнях поможет ученым создать  более износостойкий бетон.  (с) Oral Buyukozturk / MIT 

 

Например, структура морских губок, накапливающих  растворенный в воде кремний, представляет собой вовсе не случайный набор элементов. Слои кристаллов кремния в морской губке обернуты один вокруг другого, как чешуйки в репчатом луке. В результате образуется конструкция, которая в четыре раза крепче, чем ее составные части. Исследование также выявило сходство между слабым, стареющим бетоном и костями, пораженными остеопорозом. Известно, что многие города испытывают трудности из-за старой инфраструктуры. Обычно у здания и мостов имеется определенный расчетный срок службы. Можно ли увеличить этот расчетный срок службы, скажем, в два или в три раза? Над этим сейчас работают исследователи.

 

 

Текст: Джон-Майкл Шнайдер, по материалам издания National Post