La combinación correcta de enlaces de hidrógeno en compuestos de polímero y cemento es fundamental para hacer material de infraestructura resistente y dúctil, según los científicos de la Universidad de Rice que quieren imitar la mecánica del nácar y compuestos naturales similares con materiales sintéticos.

Conchas de nácar, también conocido como nácar, obtienen sus notables propiedades de la superposición de micrones, placas mineralizadas unidas por una matriz blanda. Esta estructura se puede abordar mediante compuestos de cemento y polímero que pueden, por ejemplo, hacer un mejor hormigón resistente a los terremotos, según Rouzbeh Shahsavari, profesor asistente de ingeniería civil y ambiental.

El laboratorio de Rice ejecutó más de 20 simulaciones por computadora de cómo los polímeros y las moléculas de cemento se unen a nanoescala y qué impulsa su adhesión. Los investigadores demostraron que la proximidad de los átomos de oxígeno e hidrógeno es el factor crítico en la formación de una red de enlaces de hidrógeno débiles que conecta las capas blandas y duras. El ácido poliacrílico común (PAA) demostró ser mejor para unir las capas superpuestas de cristales de cemento con una superposición óptima de aproximadamente 15 nanómetros.

"Esta información es importante para hacer los mejores compuestos sintéticos, "dijo Shahsavari, quien dirigió el proyecto con el estudiante graduado de Rice, Navid Sakhavand. "Un enfoque de ingeniería moderno para estos materiales tendrá un gran impacto en la sociedad, especialmente a medida que construimos y reemplazamos infraestructura obsoleta ".

Los resultados del laboratorio aparecen en Letras de física aplicada .

Si bien los ingenieros comprenden que la adición de polímeros mejora el cemento al bloquear los efectos dañinos de los iones "agresivos" que invaden sus poros, los detalles sobre cómo interactúan los materiales a escala molecular siguen siendo desconocidos, Dijo Shahsavari. Descubrir, los investigadores modelaron compuestos con PAA y alcohol polivinílico (PVA), Ambos materiales de matriz blanda que se han utilizado para mejorar el cemento.

Descubrieron que los dos átomos de oxígeno diferentes en PAA (a diferencia de uno en PVA) le permitían recibir y donar iones mientras se unía con hidrógeno en los cristales de cemento de tobermorita. El oxígeno en el PAA tenía ocho formas de unirse con el hidrógeno (seis para el PVA) y también podía participar en la formación de puentes salinos entre el polímero y el cemento. lo que hace que la red de unión sea aún más compleja.

Los investigadores probaron sus estructuras simuladas deslizando capas de polímero y cemento entre sí y encontraron que la complejidad permitía que los enlaces entre el PAA y el cemento se rompieran y se reconectaran con más frecuencia a medida que el material estaba sometido a tensión. lo que aumenta significativamente su tenacidad, la capacidad de deformarse sin fracturarse. Esto permitió a los investigadores determinar la superposición óptima entre los cristales de cemento.

"En contraste con la intuición común de que los enlaces de hidrógeno son débiles, cuando el número correcto de ellos (la superposición óptima) coopera, proporcionan suficiente conectividad en el compuesto para conferir alta resistencia y alta tenacidad, ", Dijo Shahsavari." Desde un punto de vista experimental, esto se puede hacer ajustando y controlando cuidadosamente la adición de los polímeros con el peso molecular correcto mientras se controla la formación de minerales de cemento. En efecto, un artículo experimental reciente de nuestros colegas mostró una prueba de concepto hacia esta estrategia ".