Las esferas de silicato de calcio pueden hacer que el concreto sea más delgado, más verde

Los científicos de la Universidad de Rice han desarrollado esferas de silicato de calcio de tamaño micrométrico que podrían conducir a un concreto más fuerte y verde, el material sintético más utilizado en el mundo.

Para el científico de materiales de arroz Rouzbeh Shahsavari y el estudiante de posgrado Sung Hoon Hwang, las esferas representan bloques de construcción que se pueden fabricar a bajo costo y prometen mitigar las técnicas de uso intensivo de energía que se utilizan actualmente para fabricar cemento, el aglutinante más común en el hormigón.

Los investigadores formaron las esferas en una solución alrededor de semillas a nanoescala de un surfactante común parecido a un detergente. Las esferas pueden ser impulsadas a auto-ensamblarse en sólidos que son más fuertes, más duros, más elásticos y más duraderos que el ubicuo cemento Pórtland.

"El cemento no tiene la estructura más bonita", dijo Shahsavari, profesor asistente de ciencias de los materiales y nanoingeniería. "Las partículas de cemento son amorfas y desorganizadas, lo que las hace un poco vulnerables a las grietas. Pero con este material, sabemos cuáles son nuestros límites y podemos canalizar polímeros u otros materiales entre las esferas para controlar la estructura de abajo hacia arriba y predecir con mayor precisión cómo podría fracturarse".

Dijo que las esferas son adecuadas para la ingeniería de tejidos óseos, aislamiento, cerámica y aplicaciones compuestas, así como para cemento.

La investigación aparece en la revista Langmuir de la American Chemical Society.

El trabajo se basa en un proyecto de 2017 de Shahsavari y Hwang para desarrollar materiales autocurativos con esferas porosas y microscópicas de silicato de calcio. El nuevo material no es poroso, ya que la semilla del surfactante está rodeada por una cáscara sólida de silicato de calcio.

Pero, al igual que el proyecto anterior, se inspiró en la forma en que la naturaleza coordina las interfaces entre materiales diferentes, especialmente en el nácar (también conocido como nácar), el material de las conchas marinas. La fuerza de Nacre es el resultado de la alternancia de plaquetas inorgánicas rígidas y plaquetas orgánicas blandas. Debido a que las esferas imitan esa estructura, se consideran biomiméticas.

Los investigadores descubrieron que podían controlar el tamaño de las esferas de 100 a 500 nanómetros de diámetro manipulando tensioactivos, soluciones, concentraciones y temperaturas durante la fabricación. Eso les permite estar en sintonía con las aplicaciones, dijo Shahsavari.

"Estos son bloques de construcción muy simples pero universales, dos rasgos clave de muchos biomateriales", dijo Shahsavari. "Permiten funcionalidades avanzadas en materiales sintéticos. Anteriormente, hubo intentos de fabricar bloques de construcción de plaquetas o fibras para compuestos, pero este trabajo utiliza esferas para crear materiales biomiméticos fuertes, resistentes y adaptables.

"Las formas de las esferas son importantes porque son mucho más fáciles de sintetizar, ensamblar y escalar desde el punto de vista de la química y la fabricación a gran escala".

En las pruebas, los investigadores usaron dos surfactantes comunes para hacer esferas y comprimieron sus productos en gránulos para la prueba. Aprendieron que los gránulos basados en DTAB se compactan mejor y son más resistentes, con un módulo elástico más alto, que los gránulos de CTAB o el cemento común. También mostraron una alta resistencia eléctrica.

Shahsavari dijo que el tamaño y la forma de las partículas en general tienen un efecto significativo en las propiedades mecánicas y la durabilidad de los materiales a granel como el concreto. "Es muy beneficioso tener algo que se pueda controlar en lugar de un material que es aleatorio por naturaleza", dijo. "Además, se pueden mezclar esferas de diferentes diámetros para rellenar los huecos entre las estructuras autoensambladas, lo que lleva a una mayor densidad de empaquetamiento y, por lo tanto, a propiedades mecánicas y de durabilidad".

Dijo que aumentar la resistencia del cemento permite a los fabricantes usar menos concreto, disminuyendo no sólo el peso sino también la energía necesaria para fabricarlo y las emisiones de carbono asociadas con la fabricación del cemento. Debido a que las esferas se empacan de manera más eficiente que las partículas irregulares que se encuentran en el cemento común, el material resultante será más resistente a los iones dañinos del agua y otros contaminantes y debería requerir menos mantenimiento y reemplazo frecuente.