Elektriserend cement met nanokoolstofzwart

Sinds de uitvinding enkele millennia geleden is beton een belangrijke rol gaan spelen in de vooruitgang van de beschaving en wordt het gebruikt in talloze constructietoepassingen – van bruggen tot gebouwen. Toch is de functie, ondanks eeuwenlange innovatie, vooral structureel gebleven.

Een meerjarige inspanning van MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) -onderzoekers, in samenwerking met het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), heeft tot doel hier verandering in te brengen. Hun samenwerking belooft concreet duurzamer te maken door nieuwe functionaliteiten toe te voegen, namelijk elektronengeleiding. Electronische geleidbaarheid zou het gebruik van beton mogelijk maken voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen, variërend van zelfverwarming tot energieopslag.

Hun aanpak is gebaseerd op de gecontroleerde introductie van sterk geleidende nanokoolstofmaterialen in het cementmengsel. In een paper in Physical Review Materials valideren ze deze aanpak terwijl ze de parameters presenteren die de geleidbaarheid van het materiaal dicteren.

Nancy Soliman, de hoofdauteur van het artikel en een postdoc aan de MIT CSHub, is van mening dat dit onderzoek het potentieel heeft om een ​​geheel nieuwe dimensie toe te voegen aan wat al een populair constructiemateriaal is.

“Dit is een eerste-orde-model van het geleidende cement”, legt ze uit. “En het zal brengen [the knowledge] nodig om de opschaling van dit soort [multifunctional] materialen. ”

Van nanoschaal tot state-of-the-art

In de afgelopen decennia hebben nanokoolstofmaterialen een grote vlucht genomen vanwege hun unieke combinatie van eigenschappen, waaronder de geleidbaarheid. Wetenschappers en ingenieurs hebben eerder de ontwikkeling voorgesteld van materialen die geleidbaarheid kunnen geven aan cement en beton als ze erin worden opgenomen.

Voor dit nieuwe werk wilde Soliman ervoor zorgen dat het door hen geselecteerde nanokoolstofmateriaal betaalbaar genoeg was om op schaal te worden geproduceerd. Zij en haar collega’s kozen voor nanokoolstofzwart – een goedkoop koolstofmateriaal met een uitstekende geleiding. Ze ontdekten dat hun voorspellingen over geleidbaarheid werden bevestigd.

“Beton is van nature een isolerend materiaal”, zegt Soliman, “maar als we zwarte nanokoolstofdeeltjes toevoegen, verandert het van een isolator in een geleidend materiaal.”

Door nanokoolstofzwart op te nemen in slechts 4 procent van hun mengsels, ontdekten Soliman en haar collega’s dat ze de percolatiedrempel konden bereiken, het punt waarop hun monsters een stroom konden voeren.

Ze merkten dat deze stroom ook een interessant resultaat had: hij kon warmte genereren. Dit komt door wat bekend staat als het joule-effect.

“Joule-verwarming (of resistieve verwarming) wordt veroorzaakt door interacties tussen de bewegende elektronen en atomen in de geleider, legt Nicolas Chanut uit, een co-auteur van het papier en een postdoc bij MIT CSHub.” De versnelde elektronen in het elektrische veld wisselen kinetiek uit. energie elke keer dat ze botsen met een atoom, waardoor trillingen van de atomen in het rooster worden opgewekt, wat zich manifesteert als warmte en een stijging van de temperatuur in het materiaal. “

In hun experimenten ontdekten ze dat zelfs een kleine spanning – zo laag als 5 volt – de oppervlaktetemperaturen van hun monsters (ongeveer 5 cm³ in grootte) tot 41 graden Celsius (ongeveer 100 graden Fahrenheit). Hoewel een standaardboiler vergelijkbare temperaturen kan bereiken, is het belangrijk om te overwegen hoe dit materiaal zou worden geïmplementeerd in vergelijking met conventionele verwarmingsstrategieën.

“Deze technologie zou ideaal kunnen zijn voor vloerverwarming binnenshuis”, legt Chanut uit. “Gewoonlijk wordt stralingsverwarming binnenshuis gedaan door verwarmd water te laten circuleren in leidingen die onder de vloer lopen. Maar dit systeem kan een uitdaging zijn om te bouwen en te onderhouden. Wanneer het cement zelf een verwarmingselement wordt, wordt het verwarmingssysteem eenvoudiger te installeren en te onderhouden. betrouwbaarder. Bovendien biedt het cement een meer homogene warmteverdeling dankzij de zeer goede verspreiding van de nanodeeltjes in het materiaal. “

Nanokoolstofcement kan ook buitenshuis verschillende toepassingen hebben. Chanut en Soliman zijn van mening dat nanokoolstofcement, indien geïmplementeerd in betonverhardingen, duurzaamheid, duurzaamheid en veiligheidsproblemen kan verminderen. Veel van die zorgen vloeien voort uit het gebruik van zout voor het ontdooien.

“In Noord-Amerika zien we veel sneeuw. Om deze sneeuw van onze wegen te verwijderen, is het gebruik van dooizout nodig, dat het beton kan beschadigen en het grondwater kan vervuilen”, merkt Soliman op. De zware vrachtwagens die worden gebruikt om wegen te strooien, zijn ook zowel zware uitstoters als duur in het gebruik.

Door stralingsverwarming in trottoirs mogelijk te maken, kan nanokoolstofcement worden gebruikt om trottoirs te ontdooien zonder strooizout, waardoor mogelijk miljoenen dollars aan reparatie- en operationele kosten worden bespaard en tegelijkertijd de veiligheid en het milieu worden weggenomen. In bepaalde toepassingen waarbij het handhaven van uitzonderlijke wegdekomstandigheden van het grootste belang is, zoals start- en landingsbanen op luchthavens, kan deze technologie bijzonder voordelig blijken.

Verwarde draden

Hoewel dit ultramoderne cement elegante oplossingen biedt voor een reeks problemen, stelde het bereiken van multifunctionaliteit een verscheidenheid aan technische uitdagingen. Zonder een manier om de nanodeeltjes bijvoorbeeld uit te lijnen in een functionerend circuit – bekend als de volumetrische bedrading – in het cement, zou hun geleidbaarheid onmogelijk te benutten zijn. Om een ​​ideale volumetrische bedrading te garanderen, onderzochten onderzoekers een eigenschap die bekend staat als kronkeligheid.

“Tortuosity is een concept dat we naar analogie hebben geïntroduceerd op het gebied van diffusie”, legt Franz-Josef Ulm uit, een leider en co-auteur van de paper, een professor in het MIT Department of Civil and Environmental Engineering, en de faculteitsadviseur bij CSHub. . “In het verleden heeft het beschreven hoe ionen stromen. In dit werk gebruiken we het om de stroom van elektronen door de volumetrische draad te beschrijven.”

Ulm legt kronkeligheid uit aan de hand van het voorbeeld van een auto die tussen twee punten in een stad rijdt. Hoewel de afstand tussen die twee punten hemelsbreed twee mijl zou kunnen zijn, zou de feitelijk gereden afstand groter kunnen zijn vanwege de circuïteit van de straten.

Hetzelfde geldt voor de elektronen die door cement reizen. Het pad dat ze binnen het monster moeten afleggen, is altijd langer dan de lengte van het monster zelf. De mate waarin dat pad langer is, is de kronkeligheid.

Het bereiken van de optimale kronkeligheid betekent het balanceren van de hoeveelheid en de verspreiding van koolstof. Als de koolstof te sterk wordt verspreid, zal de volumetrische bedrading schaars worden, wat leidt tot een hoge kronkeligheid. Evenzo, zonder voldoende koolstof in het monster, zal de kronkeligheid te groot zijn om een ​​directe, efficiënte bedrading met hoge geleidbaarheid te vormen.

Zelfs het toevoegen van grote hoeveelheden koolstof kan contraproductief zijn. Op een gegeven moment zal de geleidbaarheid niet meer verbeteren en, in theorie, alleen de kosten verhogen als het op schaal wordt geïmplementeerd. Als gevolg van deze fijne kneepjes probeerden ze hun mixen te optimaliseren.

“We ontdekten dat we door het volume van koolstof te verfijnen een kronkelige waarde van 2 kunnen bereiken”, zegt Ulm. “Dit betekent dat het pad dat de elektronen afleggen slechts twee keer zo lang is als het monster.”

Het kwantificeren van dergelijke eigenschappen was essentieel voor Ulm en zijn collega’s. Het doel van hun recente paper was niet alleen om te bewijzen dat multifunctioneel cement mogelijk was, maar dat het ook levensvatbaar was voor massaproductie.

“Het belangrijkste is dat een ingenieur dingen kan oppikken, hij een kwantitatief model nodig heeft”, legt Ulm uit. “Voordat je materialen met elkaar mengt, wil je bepaalde herhaalbare eigenschappen kunnen verwachten. Dat is precies wat dit document schetst; het scheidt wat het gevolg is van randvoorwaarden -[extraneous] omgevingscondities – van wat eigenlijk te wijten is aan de fundamentele mechanismen in het materiaal. “

Door deze mechanismen te isoleren en te kwantificeren, hopen Soliman, Chanut en Ulm ingenieurs precies te bieden wat ze nodig hebben om multifunctioneel cement op grotere schaal te implementeren. De weg die ze hebben uitgestippeld is veelbelovend – en zou, dankzij hun werk, niet te kronkelig moeten blijken te zijn.