厲害了——水泥顆粒形態居然可以按圖設計

材料牛注；最近，萊斯大學的科研人員發現了一種可以“設計”水泥顆粒形態的方法，將原本無定形的水泥顆粒變成有序的規整形狀，可以大大減少水泥中的孔隙并提高強度、減少用量，非常有利于環境保護。更貼心的是，科學家們將這些不同形態顆粒的制備方法記錄成冊，以后想用什么顆粒形態的水泥——按圖“設計”就行。

萊斯大學的科研人員們研發出具有特殊形態的水泥顆粒并進行了機械性能測試。這些特殊的形態可能成為自下而上法制備更強、更耐用水泥的基礎。

將無序結構變成有序結構是獲得更強、更環保水泥的關鍵。萊斯大學的科學家們通過研究水泥動力學性質，得到了一種可以“設計”水泥微觀半晶質顆粒的方法。該方法將無序團簇結構變為規整的立方體、球體和其他形態，通過這些形態的組合，材料孔隙率明顯減少同時更加耐用。

萊斯大學的Shahsavari告訴我們，提高了結構強度意味著需要的混凝土就更少了——越少當然越好。全世界大概一年會生產超過30億噸混凝土，生產這些混凝土所釋放的溫室氣體相當于釋放至大氣的二氧化碳總量的10%。

通過大量實驗，Shahsavari和他的同事們探明了水化碳酸鈣水泥（C-S-H，粘合磚所用的水泥）結晶化的納米尺度反應——或者說是形態變化。這是第一次有人合成出各種形態的C-S-H顆粒，包括立方體、矩形棱柱、枝晶、核殼以及棱面體，科研人員們還將這些形態統合成一個形態表可供那些生產商和設計者們查用。

“我們稱它為可控水泥，”Shahsavari說。“這項工作的重大進展在于這是第一次通過水泥的動力學性質獲得我們所想要的形態。我們告訴人們怎樣去控制C-S-H水泥基本單元的形態和尺寸，這樣就可以自組裝成具有遠超傳統無定形C-S-H密度的微觀結構。”

Shahsavari說他的想法類似于金屬晶體和高分子的自組裝。“這是一個熱門領域，很多科研人員都在研究自組裝相關領域。但是如果想把它應用到水泥和混凝土領域，如何控制它們進行自下而上自組裝就變成了非常困難的障礙。而我們的發現使這種高級應用成為可能。”

“這些‘種子’顆粒首先會在反應中自動形成，并且它們會控制材料剩下的部分圍繞它們而成”，他說。“這就是它們的美麗之處。這是原位形成，就像種子成長一樣，無需再給這些‘種子’顆粒任何添加物——那種在工業中通常用來提高結晶化和生長的添加物。”

之前也有可以在C-S-H中得到有序結晶的技術，但那需要高溫或高壓，延長反應時間并使用有機前驅物，但這些東西效率不高并且對環境也并不友好。萊斯大學科研人員們通過往C-S-H中加入少量的正/負離子表面活性劑和硅酸鈣并將其置于二氧化碳中超聲震動，獲得了形態規整的立方體和長方形。“種子”晶體會在25分鐘內形成于表面膠團周圍。研究發現，減少硅酸鈣會產生更多的球形顆粒和更小的立方體顆粒，而增加硅酸鈣會形成球體集群和互相咬合的立方體。

一旦方解石的“種子”形成，它就會引發周圍的分子自組裝形成立方體、球體和其他宏觀有序的形態。它們在混凝土中比無定形顆粒結合的更緊密。

Shahsavari認為前驅物的濃度、反應的溫度和時間都會影響到最終顆粒的產量、尺寸和形態。

萊斯大學的材料學家們已經為這些混凝土中所用的水泥化物做出了形態索引圖。它可以讓想要得到更強、更耐用和更環保混凝土的設計者與生產商們按圖“設計”出想要的顆粒形態。

這項工作是混凝土研究領域中非常重要的突破。該項進展基于Shahsavari所參與的MIT科研團隊在2009年解密水泥分子“DNA”的發現。Shahsavari告訴我們指導現在還沒有控制C-S-H的方法，我們所使用的水泥仍然是帶有大量氣孔的無定形膠質，這毫無疑問會減小強度與耐用性。

混凝土是Shahsavari的研究重點，他同時研究其宏觀制造和內部的納米級性質。因為混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料以及很明顯的溫室氣體釋放源，他認為開發更“綠色”的混凝土非常重要。

這項研究要求科研人員設法測試這些微觀顆粒的強度。研究人員們通過一個納米級鉆石硬度壓頭在單個顆粒的平邊上壓入測試。在一個顆粒測試完后，移動至旁邊顆粒繼續測試，然后匯總在數百個各種形態顆粒上測試的實驗數據。“很多團隊做了水泥塊的機械性能測試，但是沒有人做過針對單個C-S-H顆粒的測試，也沒有人測試過不同形態對顆粒的機械性能的影響。”Shahsavari說。

Shahsavari認為這項工作的創意對于其他領域應用很有啟發意義，包括骨組織工程、藥物傳輸和耐火材料，并且可能也對其他諸如陶瓷和膠體等領域有影響。

原文鏈接：Scientists develop 'programmable' cement particles to attain enhanced properties.

文獻鏈接：Morphogenesis of Cement Hydrate.

本文由材料人編輯部楊超提供素材，李禹辰編譯，點我加入材料人編輯部。

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