محققان دانشگاه پرینستون با الهام از ساختار استخوان انسان نوعی خمیر سیمان بسیار مقاوم ابداع کرده‌اند که تا پنج برابر قوی‌تر از بتن معمولی است.
به گزارش تکناک، این سیمان جدید به دلیل ترکیب مواد خاص و ساختار میکروسکوپی مشابه استخوان، از مقاومت بالاتری برخوردار است و می‌تواند در سازه‌های مقاوم‌تر و پایدارتر به کار گرفته شود.
این پیشرفت می‌تواند تأثیر بزرگی در صنعت ساخت‌وساز داشته باشد و سازه‌های با دوام بیشتری ایجاد کند.
به گفته محققان خمیر سیمان با ساختار لوله‌ای می‌تواند به طور قابل توجهی مقاومت در برابر انتشار ترک را افزایش دهد و توانایی تغییر شکل بدون شکست ناگهانی را بهبود بخشد.
این خمیر دارای ساختار لوله‌ای می‌باشد و از ساختار استخوان کورتیکال انسان الهام گرفته شده است، که لایه بیرونی استخوان ران را تشکیل می‌دهد و پتانسیل جایگزینی مواد سیمانی تقویت شده با پلاستیک و الیاف را دارد.
نیاز به مواد ساختمانی مقاوم‌تر
مواد شکننده مبتنی بر سیمان که برای ساخت ساختمان‌ها استفاده می‌شوند، باید دارای سطوح بالایی از استحکام و مقاومت باشند.
استحکام به توانایی یک سازه برای تحمل بارها مربوط می‌شود و مقاومت تعیین می‌کند که آیا سازه می‌تواند به طور مؤثر با ترک‌ها و آسیب‌ها مقابله کند یا خیر.
ساختمانی که با مواد مقاوم ضعیف ساخته شده باشد، ممکن است به طور ناگهانی فرو بریزد و خسارات جدی به اموال و جان انسان‌ها وارد کند.
شاشانک گوپتا، محقق اصلی این نوآوری از دانشگاه پرینستون گفت: «یکی از چالش‌های مهندسی مواد ساختمانی شکننده این است که آنها به طور ناگهانی و فاجعه‌باری شکست می‌خورند. به همین دلیل، توسعه مواد ساختمانی که مقاومت بالایی در برابر ترک خوردگی داشته باشند، بسیار مهم است. در صورت آسیب، چنین موادی باید بتوانند ضربه را به طور ایمن در سراسر سازه توزیع کنند، نه اینکه باعث فروپاشی ناگهانی شوند.»
محققان برای کشف علم پشت سیمان مقاوم در برابر ترک، به دنبال موادی بودند که به طور طبیعی دارای استحکام و مقاومت بالا باشند.
در تحقیقات خود آنها به استخوان کورتیکال انسان برخورد کردند، که در برابر شکستگی مقاومت می‌کند و به استخوان ران قدرت لازم برای تحمل بار بدن را می‌دهد.
گوپتا توضیح داد: «استخوان کورتیکال از اجزای لوله‌ای بیضوی به نام استئون‌ها تشکیل شده است، که به طور ضعیفی در یک ماتریس آلی جاسازی شده‌اند. این معماری منحصربه‌فرد، ترک‌ها را در اطراف استئون‌ها منحرف می‌کند. این موضوع از شکست ناگهانی جلوگیری می‌نماید و مقاومت کلی در برابر انتشار ترک را افزایش می‌دهد.»
با الهام از ساختار لوله‌ای استخوان کورتیکال، محققان یک خمیر سیمانی با ویژگی‌های لوله‌های استوانه‌ای و بیضوی توسعه دادند. این ساختارهای لوله‌ای، خواص مقاوم در برابر ترک سیمان را بهبود بخشیدند، مشابه کاری که استئون‌ها در تقویت استخوان ران انجام می‌دهند.
به عنوان مثال، هر زمان که ترک در یک سازه ساخته شده با خمیر سیمان ظاهر می‌شود، توسط لوله‌ها به دام می‌افتد و از گسترش آن به بخش‌های دیگر جلوگیری می‌نماید. فرایند محدود کردن ترک، انرژی را جذب می‌کند.
این همان انرژی است که در غیر این صورت باعث رشد سریع‌تر ترک می‌شد. اتلاف انرژی به سیمان زمان بیشتری برای مقاومت در برابر آسیب می‌دهد و از فروپاشی ناگهانی سازه جلوگیری می‌کند.
گوپتا بیان کرد: «آنچه این مکانیزم مرحله‌ای را منحصربه‌فرد می‌کند این است که همه گسترش‌های ترک کنترل می‌شود و از شکست ناگهانی و فاجعه‌بار جلوگیری می‌کند. به جای شکستن یکباره، ماده در برابر آسیب تدریجی مقاومت خواهد داشت و آن را بسیار سخت‌تر می‌نماید.»
به طور کلی تقویت سیمان با پلاستیک، الیاف و مواد دیگر برای افزایش مقاومت آن تقویت می‌شود. با وجود این، به جای افزودن چیزی اضافی به سیمان، رویکرد فعلی بر استفاده از قدرت لوله‌ها و هندسه تمرکز دارد.
رضا معینی، محقق ارشد این مطالعه عنوان کرد: «انتظار می‌رود که ماده با وارد کردن لوله‌های توخالی کمتر در برابر ترک مقاوم شود. ما یاد گرفتیم که با استفاده از هندسه، اندازه، شکل و جهت لوله‌ها، می‌توانیم تعامل ترک-لوله را تقویت کنیم تا یک خاصیت را بدون قربانی کردن خاصیت دیگر بهبود دهیم.»
علاوه بر این، معینی و گوپتا یک چارچوب برای تعیین درجه بی‌نظمی در خمیر سیمان توسعه داده‌اند. درجه بی‌نظمی به میزان نامنظم یا غیرقابل پیش‌بینی بودن ساختار یا آرایش یک ماده اشاره دارد.
این چارچوب می‌تواند در تبدیل خمیر سیمان به یک راه‌حل عملی و قابل مقیاس برای مواد سنتی مبتنی بر سیمان مفید باشد.
گوپتا اعلام کرد: «ما تازه شروع به کشف امکانات کرده‌ایم. این اصول می‌توانند به سایر مواد شکننده اعمال شوند تا سازه‌های مقاوم‌تر در برابر آسیب طراحی شوند.»
این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.
