سیمانی که از استخوان انسان الهام گرفته شده است 5 برابر سخت تر و مقاوم تر از بتن است

به گزارش بازار، این ماکارونی ساختار لوله ای دارد که از ساختار استخوان قشر مغز انسان الهام گرفته شده است که لایه بیرونی استخوان ران را تشکیل می دهد.

به گزارش ایسنا، به گفته محققان، خمیر سیمان با ساختار لوله ای شکل می تواند مقاومت در برابر انتشار ترک را به میزان قابل توجهی افزایش دهد و توانایی تغییر شکل بدون شکست ناگهانی را بهبود بخشد.

این خمیر سیمان همچنین پتانسیل جایگزینی با مواد پلاستیکی و فیبر پایه سیمانی را دارد.

نیاز به مصالح ساختمانی سخت تر

مواد ترد بر پایه سیمان که برای ساخت ساختمان ها استفاده می شود باید از استحکام و چقرمگی بالایی برخوردار باشند. استحکام با توانایی سازه در تحمل بارها مرتبط است و چقرمگی نشان می دهد که آیا می تواند به طور موثر در برابر ترک ها و آسیب ها مقاومت کند یا خیر.

ساختمانی که از مصالح کم استحکام ساخته شده است می تواند به طور ناگهانی فرو بریزد و آسیب جدی به اموال و جان انسان وارد کند.

شاشانک گوپتا، محقق ارشد و کاندیدای دکترا در پرینستون، می‌گوید: «یکی از چالش‌های مهندسی مصالح ساختمانی شکننده این است که به‌طور ناگهانی و به‌طور فاجعه‌باری فرو می‌ریزند».

به همین دلیل، توسعه مصالح ساختمانی که مقاومت بالایی در برابر ترک دارند، بسیار مهم است. در صورت آسیب، چنین مصالحی باید به جای ایجاد یک فروپاشی ناگهانی، بتوانند به طور ایمن ضربه را در سراسر سازه پخش کنند.

علم پشت خمیر سیمان مقاوم در برابر ترک

محققان به دنبال موادی بودند که به طور طبیعی استحکام و چقرمگی بالایی داشته باشند.

آنها استخوان قشر انسان را پیدا کردند که در برابر شکستگی مقاومت می کند و به استخوان ران قدرت می دهد تا بار بدن را تحمل کند.

استخوان کورتیکال شامل اجزای لوله‌ای بیضی شکل است که به نام استئون‌ها شناخته می‌شوند که به طور آزاد در یک ماتریکس آلی جاسازی شده‌اند. این ساختار منحصر به فرد از شکست ناگهانی جلوگیری می کند و مقاومت کلی در برابر انتشار ترک را افزایش می دهد.

محققان با الهام از ساختار لوله ای استخوان قشر مغز، یک خمیر سیمانی با لوله های استوانه ای و بیضوی ایجاد کردند. این ساختارهای لوله ای خواص مقاومت در برابر ترک را بهبود بخشیده اند.

به عنوان مثال، هنگامی که یک ترک در ساختاری از خمیر سیمان ایجاد می شود، توسط لوله ها به دام می افتد و گسترش آن به قسمت های دیگر به تاخیر می افتد. فرآیند محدود کردن ترک انرژی را جذب می کند.

این همان انرژی است که در غیر این صورت باعث رشد سریع تر ترک می شود. اتلاف انرژی به سیمان زمان بیشتری برای مقاومت در برابر آسیب می دهد و از فروریختن ناگهانی سازه جلوگیری می کند. چیزی که این مکانیسم گام به گام را منحصر به فرد می کند این است که هر پسوند ترک کنترل می شود و از خرابی های ناگهانی و فاجعه بار جلوگیری می شود. این ماده به جای شکستن ناگهانی، در برابر آسیب های تدریجی مقاومت می کند.

به طور کلی سیمان با پلاستیک، الیاف و مواد دیگر تقویت می شود تا استحکام آن افزایش یابد. با این حال، به جای افزودن چیز اضافی به سیمان، رویکرد فعلی بر استفاده از ساختارهای لوله ای و هندسه متمرکز شده است.

رضا معینی، محقق ارشد و استاد مهندسی عمران و محیط زیست در پرینستون گفت: انتظار می رود زمانی که لوله های توخالی با هم ترکیب می شوند، مواد در برابر ترک خوردگی مقاوم تر شوند.

وی افزود: ما آموختیم که با بهره گیری از هندسه، اندازه، شکل و جهت لوله، می توانیم تعامل بین لوله و ترک را برای بهبود یک ویژگی بهبود دهیم.

این مطالعه در مجله Advanced Materials منتشر شده است.