Los científicos de la Universidad de Rice han determinado que no importa cuán grande o pequeña sea una pieza de tobermorita, responderá a las fuerzas de carga exactamente de la misma manera. Pero pincharlo con una punta afilada cambiará su fuerza.

La tobermorita es un análogo cristalino natural del silicato de calcio hidratado (C-S-H) que forma el cemento, que a su vez aglutina el hormigón, el material más utilizado del mundo. Se cree que una forma de tobermorita utilizada por los antiguos romanos es la clave de la legendaria fuerza de sus estructuras de hormigón submarinas.

El material finamente estratificado se deformará de diferentes maneras dependiendo de cómo las fuerzas estándar (cizallamiento, compresión y tensión — se aplican, pero la deformación será constante entre los tamaños de muestra, según el científico de materiales de Rice Rouzbeh Shahsavari. Realizó la investigación, que aparece en Naturaleza de acceso abierto Informes científicos , con el autor principal y estudiante de posgrado Lei Tao.

Para su última encuesta, Shahsavari y Tao construyeron modelos de dinámica molecular del material. Sus simulaciones revelaron tres mecanismos moleculares clave en funcionamiento en la tobermorita que también son probablemente responsables de la resistencia de C-S-H y otros materiales en capas. Uno es un mecanismo de desplazamiento en el que los átomos bajo tensión se mueven colectivamente mientras intentan mantenerse en equilibrio. Otro es un mecanismo de difusión en el que los átomos se mueven de forma más caótica. Descubrieron que el material mantiene mejor su integridad estructural bajo cizalla, y menos bajo carga de compresión y luego de tracción.

Más interesante para los investigadores fue el tercer mecanismo, mediante el cual se formaron enlaces entre las capas al presionar un nanoindentador en el material. Un nanoindentador es un dispositivo (simulado en este caso) que se utiliza para probar la dureza de volúmenes muy pequeños de materiales. La alta tensión en el punto de indentación provocó transformaciones de fase local en las que la estructura cristalina del material se deformó y creó fuertes lazos entre las capas. un fenómeno no observado bajo fuerzas estándar. La fuerza de la unión dependía tanto de la cantidad de fuerza como de, a diferencia de los factores estresantes a macroescala, el tamaño de la punta.

"Hay una tensión significativa justo debajo de la pequeña punta del nanoindentador, "Dijo Shahsavari." Eso conecta las capas vecinas. Una vez que retire la punta, la estructura no vuelve a la configuración original. Eso es importante:estas transformaciones son irreversibles.

"Además de proporcionar conocimientos fundamentales sobre los mecanismos de deformación clave, este trabajo descubre la verdadera respuesta mecánica del sistema bajo cargas pequeñas localizadas (en comparación con las convencionales), como la nanoindentación, ", dijo." Si cambiar el tamaño de la punta (y por lo tanto la topología interna) va a alterar la mecánica, por ejemplo, hacer que el material sea más fuerte, entonces se podría usar esta función para diseñar mejor el sistema para cargas localizadas particulares ".

Shahsavari es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería.