Una punta de silicato de calcio hidratado (también conocido como cemento) se cierne sobre una superficie lisa de tobermorita en una simulación por computadora realizada por científicos de la Universidad de Rice. Los investigadores estudiaron cómo interactúan las fuerzas a nivel atómico en los sistemas de partículas cuando se aplica fricción. Sus cálculos muestran que estos materiales pueden mejorarse para aplicaciones específicas controlando las propiedades de unión química de los materiales. Crédito:Grupo Shahsavari / Universidad Rice
Incluso cuando se construye a lo grande, cada átomo importa, según una nueva investigación sobre materiales basados en partículas en la Universidad de Rice.
Los investigadores de Rice, Rouzbeh Shahsavari y Saroosh Jalilvand, han publicado un estudio que muestra lo que sucede a nanoescala cuando materiales "estructuralmente complejos" como el hormigón, una mezcla aleatoria de elementos en lugar de un cristal ordenado, se frotan entre sí. Los arañazos que dejan pueden decir mucho sobre sus características.
Los investigadores son los primeros en ejecutar cálculos sofisticados que muestran cómo las fuerzas a nivel atómico afectan las propiedades mecánicas de un material complejo basado en partículas. Sus técnicas sugieren nuevas formas de ajustar la química de dichos materiales para hacerlos menos propensos a agrietarse y más adecuados para aplicaciones específicas.
La investigación aparece en la revista American Chemical Society Materiales e interfaces aplicados .
El estudio utilizó calcio-silicato-hidrato (C-S-H), también conocido como cemento, como modelo de sistema de partículas. Shahsavari se familiarizó bastante con C-S-H mientras participaba en la construcción de los primeros modelos a escala atómica del material.
C-S-H es el pegamento que une las rocas pequeñas, grava y arena en hormigón. Aunque parece una pasta antes de endurecerse, consta de partículas discretas a nanoescala. Las fuerzas de van der Waals y Coulombic que influyen en las interacciones entre el C-S-H y las partículas más grandes son la clave para la resistencia general del material y las propiedades de fractura. dijo Shahsavari. Decidió echar un vistazo de cerca a esos y otros mecanismos a nanoescala.
"Los estudios clásicos de la fricción en materiales existen desde hace siglos, ", dijo." Se sabe que si haces una superficie rugosa, la fricción va a aumentar. Esa es una técnica común en la industria para evitar el deslizamiento:las superficies rugosas se bloquean entre sí.
"Lo que descubrimos es que además de las técnicas comunes de rugosidad mecánica, modulación de la química de la superficie, que es menos intuitivo, puede afectar significativamente la fricción y, por lo tanto, las propiedades mecánicas del sistema de partículas ".
Shahsavari dijo que es un error pensar que la mayor parte de un solo elemento, por ejemplo, calcio en C-S-H:controla directamente las propiedades mecánicas de un sistema de partículas. "Descubrimos que lo que controla las propiedades dentro de las partículas podría ser completamente diferente de lo que controla sus interacciones superficiales, ", dijo. Si bien un mayor contenido de calcio en la superficie mejoraría la fricción y, por lo tanto, la resistencia del ensamblaje, un contenido de calcio más bajo beneficiaría la fuerza de las partículas individuales.
"Esto puede parecer contradictorio, pero sugiere que para lograr propiedades mecánicas óptimas para un sistema de partículas, Deben idearse nuevas condiciones sintéticas y de procesamiento para colocar los elementos en los lugares correctos, " él dijo.
Una mirada de arriba hacia abajo en la punta de una sonda de cemento virtual muestra la posición de los átomos, dominado por calcio y silicato. Los investigadores de la Universidad de Rice utilizaron simulaciones para mostrar que la composición química de los sistemas de partículas afecta la resistencia de su material al simular la fricción con varias superficies. Crédito:Grupo Shahsavari / Universidad Rice
Los investigadores también encontraron que la contribución de la atracción natural de van der Waals entre moléculas es mucho más significativa que las fuerzas Coulombic (electrostáticas) en C-S-H. Ese, también, se debió principalmente al calcio, Dijo Shahsavari.
Para probar sus teorías, Shahsavari y Jalilvand construyeron modelos de computadora de C-S-H áspera y tobermorita suave. Arrastraron una punta virtual del primero por la parte superior del segundo, rascando la superficie para ver con qué fuerza tendrían que empujar sus átomos para desplazarlos. Sus simulaciones de rayado les permitieron decodificar las fuerzas clave y la mecánica involucrada, así como predecir la tenacidad inherente a la fractura de la tobermorita. números confirmados por los experimentos de otros.
Shahsavari dijo que el análisis a nivel atómico podría ayudar a mejorar una amplia gama de materiales no cristalinos, incluida la cerámica, playa, polvos, granos y coloides.
