自从几千年前混凝土发明以来,混凝土已成为促进文明发展的重要工具,已在从桥梁到建筑物的无数建筑应用中得到使用。


麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)的研究人员与法国国家科学研究中心(CNRS)合作了多年,旨在改变这一现状。他们的合作有望通过增加新的功能,即电子导电性,使混凝土更加可持续。电子导电性将允许混凝土用于各种各样的新应用,从自热到能量存储。他们的方法依赖于在水泥混合物中有控制地引入高导电性的纳米碳材料。


在《物理评论材料》(“Electric energy dissipation and electric tortuosity in electron conductive cement-based materials”)的一篇论文中,他们验证了这种方法,同时提出了决定材料导电性的参数。

MIT新研究使混凝土更具可持续性 为建筑材料增加一个全新的维度

麻省理工学院CSHub博士后Nicolas Chanut和Nancy Soliman拿着两个他们的导电水泥样品。(图片:安德鲁·洛根)


南希·索利曼是这篇论文的第一作者,也是麻省理工学院CSHub的博士后,她认为这项研究有可能给这种已经很受欢迎的建筑材料增加一个全新的维度。


从纳米级到最先进的技术


在过去的几十年里,纳米碳材料因其独特的性能组合而迅速发展,其中最主要的是导电性能。科学家和工程师们早前就提出开发一种材料,这种材料可以使水泥和混凝土具有导电性。


在这项新研究中,索利曼希望确保他们选择的纳米碳材料足够廉价,可以大规模生产。她和她的同事们最终选择了纳米炭黑,一种廉价且导电性极佳的碳材料。他们发现他们对电导率的预测得到了证实。


混凝土本来是一种绝缘材料,索利曼说,但当我们加入纳米炭黑粒子时,它就从绝缘体变成了导电材料。


Soliman和她的同事们发现,通过将纳米炭黑的体积仅为其混合物的4%,他们可以达到渗透阈值,即他们的样品可以携带电流的临界点。


他们注意到这种电流还有一个有趣的结果:它可以产生热量。这是由于所谓的焦耳效应。


焦耳热(或电阻热)是由导体中移动的电子和原子之间的相互作用引起的,Nicolas Chanut解释说,他是这篇论文的合著者,也是麻省理工学院CSHub的博士后。每次与原子碰撞时,电场中的加速电子都会交换动能,诱导晶格中原子的振动,这表现为热量和材料温度的上升。


在他们的实验中,他们发现即使是很小的电压,低至5伏特,也可以将样品(大约5立方厘米大小)的表面温度提高到41摄氏度(大约100华氏度)。虽然标准的热水器可能达到类似的温度,但与传统的加热策略相比,考虑如何使用这种材料是重要的。


Chanut解释说,这项技术可能是室内地板辐射采暖的理想选择。通常,室内辐射采暖是通过在地板以下的管道中循环热水来完成的。但是,这个系统的构建和维护具有挑战性。然而,当水泥本身成为加热元件时,加热系统就变得更容易安装,也更可靠。此外,由于纳米颗粒在材料中的良好分散,水泥的热分布更加均匀。

MIT新研究使混凝土更具可持续性 为建筑材料增加一个全新的维度

纳米碳水泥也可以在户外有各种应用。Chanut和Soliman认为,如果纳米碳水泥应用在混凝土路面上,可以缓解耐久性、可持续性和安全方面的担忧。这些担忧大多源于使用盐来除冰。


在北美,我们看到很多雪。清除道路上的积雪需要使用融冰盐,这会破坏混凝土,污染地下水,索利曼说。在盐渍道路上行驶的重型卡车也是排放者,而且行驶费用昂贵。


纳米碳水泥通过使路面辐射加热,可以用于无路盐的路面除冰,在修复安全和环境问题的同时,可能节省数百万美元的维修和运营成本。在某些需要维护特殊路面条件的应用中,比如机场跑道,这项技术可能被证明具有特别的优势。


错综复杂的电线


虽然这种最先进的水泥为一系列问题提供了优雅的解决方案,但实现多功能带来了各种技术挑战。例如,如果不能在水泥中将纳米颗粒排列成一个有效的电路(被称为体积线),它们的导电性就不可能被利用。为了确保理想的体积布线,研究人员研究了一种被称为弯曲的特性。


弯曲是我们通过扩散领域的类比引入的一个概念,Franz-Josef Ulm解释道,他是这篇论文的领导者和合著者,是麻省理工学院土木与环境工程系的教授,也是CSHub的指导教师。过去,它描述了离子的流动。在这项工作中,我们用它来描述电子通过体积导线的流动。


乌尔姆以一辆汽车在城市的两点之间行驶为例,解释了“曲折”。虽然这两点之间直线距离可能是两英里,但由于街道的曲折,实际行驶的距离可能会更大。


通过水泥的电子也是如此。他们必须在样本内走的路径总是比样本本身的长度长。这条路越长,就越曲折。


达到最佳弯曲度意味着平衡碳的数量和分散。如果碳太分散,体积布线将变得稀疏,导致高弯曲。同样,如果样品中没有足够的碳,其弯曲度将过大,无法形成直接、高效的高导电性布线。


即使增加大量的碳也可能会适得其反。到了一定程度,电导率将不再提高,理论上,如果大规模实施,只会增加成本。由于这些错综复杂的因素,他们试图优化他们的组合。


乌尔姆说,我们发现,通过微调碳的体积,我们可以达到一个2的弯曲值。这意味着电子所经过的路径仅仅是样品长度的两倍。


量化这些性质对乌尔姆和他的同事来说至关重要。他们最近的论文的目标不仅是证明多功能水泥是可能的,而且是可行的大规模生产。


乌尔姆解释说,关键在于,为了让工程师能够挑选东西,他们需要一个定量模型。在将材料混合在一起之前,你希望能够预期某些可重复的性能。


通过隔离和量化这些机制,Soliman、Chanut和Ulm希望为工程师提供他们所需要的在更大范围内实现多功能水泥。他们所规划的道路是有希望的。


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