Các nhà nghiên cứu tại đại học Rice đã tìm ra một phương pháp "lập trình" các hạt xi-măng để chúng sắp xếp thành các hình dạng đặc biệt nhằm khiến bê-tông trở nên cứng hơn, ít xốp hơn và thân thiện với môi trường hơn.
Để thực hiện những cải tiến này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu về cách kết tinh của xi-măng Calcium-Silicate Hydrate (C-S-H) và sử dụng cơ chế này để tổng hợp các hạt C-S-H thành những hình dạng nhất định. Và thay vì hình thành những viên tròn vô định hình, nhóm nghiên cứu đã biến những hạt C-S-H thành hình khối vuông, hình lăng trụ chữ nhật, hình cây, tam giác … để chúng có thể gắn kết với nhau chặt chẽ hơn. Kết quả là bê-tông sẽ có thể chống thấm nước tốt hơn và ngăn ngừa khả năng vật liệu bị phá hủy từ bên trong.
Rouzbeh Shahsavari - tác giả nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi gọi đây là xi-măng có thể lập trình. Tiến bộ lớn nhất của nghiên cứu này là nó đặt bước đi đầu tiên trong việc điểu khiển động lực của xi-măng nhằm tạo ra hình thù theo ý muốn. Chúng tôi đã cho các bạn thấy phương pháp điều khiển hình thái và kích thước của các khối xây dựng cơ bản nhất của hạt C-S-H để thông qua đó, chúng có thể tự lắp ghép thành các vi kiến trúc với mật độ gắn kết lớn hơn nhiều so với những vi kiến trúc C-S-H vô định hình thông thường."
Để hướng dẫn cho các hạt xi-măng hình thành những hình dạng như vậy, nhóm nghiên cứu đã bổ sung các hợp chất hoạt động bề mặt và calcium silicate với điện tích dương hoặc âm trước khi cho hỗn hợp C-S-H tiếp xúc với CO2 và sóng siêu âm. Sự thay đổi về hàm lượng calcium silicate đã tác động đến hình dạng mà các hạt xi-măng tạo thành, nếu ít sẽ khiến các hạt tạo ra hình khối tròn trịa và khối vuông cỡ nhỏ, nếu cho thêm vào sẽ tạo thành các khối cầu xen lẫn và những khối hộp liên kết với nhau.
Sau khoảng 25 phút, các hạt kết tinh hình thành xung quanh chất hoạt động bề mặt và chính những hạt này lại thu hút các phẩn tử gần đó để tự lắp ghép thành những phiên bản lớn hơn của hình dạng mà chúng đã tạo ra ban đầu. Nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát số lượng, kích thước và hình dạng cuối cùng của các hạt xi-măng bằng cách thay đổi mật độ ban đầu, nhiệt độ và thời gian định hình ban đầu của các hạt. Thông tin này sau đó được ghi chép thành một biểu đồ hình thái để chia sẻ lại với các nhà sản xuất vật liệu cũng như đơn vị xây dựng nhằm giúp họ tạo ra bê-tông tốt hơn với các đặc tính theo ý muốn.
Để thử nghiệm độ cứng của các hình thái hạt khác nhau, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một mũi dùi nano với phần đầu bằng kim cương để nghiền từng hạt một với số lượng lên đến hàng trăm nhằm thu thập dữ liệu cơ học chi tiết. Shahsavari cho biết: "Các nhóm nghiên cứu khác cũng đã từng thử nghiệm nhiều loại xi-măng và bê-tông cỡ lớn nhưng chưa ai từng xem xét đặc tính cơ học của từng hạt xi-măng C-S-H và tác động của hình dạng đối với đặc tính cơ học của các hạt xi-măng riêng biệt."
Hoạt động sản xuất xi-măng là một trong những tác nhân lớn nhất gây ra khí thải nhà kính và việc tìm ra các giải pháp để giảm lượng xi-măng sản xuất vẫn được ưu tiên hàng đầu. Giải pháp được đại học Rice đưa ra rất phù hợp với mục tiêu này. Shahsavari giải thích: "Bạn sẽ không cần nhiều xi-măng bởi nó đã cứng hơn trước. Bắt nguồn từ việc các hạt tạo hình dính kết với nhau chặt chẽ hơn, tạo ra những vi cấu trúc cứng hơn. Thêm vào đó là độ bền cao hơn bởi bê-tông càng ít lỗ hổng, các chất hóa học không mong muốn sẽ ít có cơ hội xâm nhập vào bê-tông, do đó nó sẽ bảo vệ phần thép gia cường bên trong tốt hơn."
Để thực hiện những cải tiến này, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu về cách kết tinh của xi-măng Calcium-Silicate Hydrate (C-S-H) và sử dụng cơ chế này để tổng hợp các hạt C-S-H thành những hình dạng nhất định. Và thay vì hình thành những viên tròn vô định hình, nhóm nghiên cứu đã biến những hạt C-S-H thành hình khối vuông, hình lăng trụ chữ nhật, hình cây, tam giác … để chúng có thể gắn kết với nhau chặt chẽ hơn. Kết quả là bê-tông sẽ có thể chống thấm nước tốt hơn và ngăn ngừa khả năng vật liệu bị phá hủy từ bên trong.
Rouzbeh Shahsavari - tác giả nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi gọi đây là xi-măng có thể lập trình. Tiến bộ lớn nhất của nghiên cứu này là nó đặt bước đi đầu tiên trong việc điểu khiển động lực của xi-măng nhằm tạo ra hình thù theo ý muốn. Chúng tôi đã cho các bạn thấy phương pháp điều khiển hình thái và kích thước của các khối xây dựng cơ bản nhất của hạt C-S-H để thông qua đó, chúng có thể tự lắp ghép thành các vi kiến trúc với mật độ gắn kết lớn hơn nhiều so với những vi kiến trúc C-S-H vô định hình thông thường."
Để hướng dẫn cho các hạt xi-măng hình thành những hình dạng như vậy, nhóm nghiên cứu đã bổ sung các hợp chất hoạt động bề mặt và calcium silicate với điện tích dương hoặc âm trước khi cho hỗn hợp C-S-H tiếp xúc với CO2 và sóng siêu âm. Sự thay đổi về hàm lượng calcium silicate đã tác động đến hình dạng mà các hạt xi-măng tạo thành, nếu ít sẽ khiến các hạt tạo ra hình khối tròn trịa và khối vuông cỡ nhỏ, nếu cho thêm vào sẽ tạo thành các khối cầu xen lẫn và những khối hộp liên kết với nhau.
Sau khoảng 25 phút, các hạt kết tinh hình thành xung quanh chất hoạt động bề mặt và chính những hạt này lại thu hút các phẩn tử gần đó để tự lắp ghép thành những phiên bản lớn hơn của hình dạng mà chúng đã tạo ra ban đầu. Nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát số lượng, kích thước và hình dạng cuối cùng của các hạt xi-măng bằng cách thay đổi mật độ ban đầu, nhiệt độ và thời gian định hình ban đầu của các hạt. Thông tin này sau đó được ghi chép thành một biểu đồ hình thái để chia sẻ lại với các nhà sản xuất vật liệu cũng như đơn vị xây dựng nhằm giúp họ tạo ra bê-tông tốt hơn với các đặc tính theo ý muốn.
Để thử nghiệm độ cứng của các hình thái hạt khác nhau, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một mũi dùi nano với phần đầu bằng kim cương để nghiền từng hạt một với số lượng lên đến hàng trăm nhằm thu thập dữ liệu cơ học chi tiết. Shahsavari cho biết: "Các nhóm nghiên cứu khác cũng đã từng thử nghiệm nhiều loại xi-măng và bê-tông cỡ lớn nhưng chưa ai từng xem xét đặc tính cơ học của từng hạt xi-măng C-S-H và tác động của hình dạng đối với đặc tính cơ học của các hạt xi-măng riêng biệt."
Hoạt động sản xuất xi-măng là một trong những tác nhân lớn nhất gây ra khí thải nhà kính và việc tìm ra các giải pháp để giảm lượng xi-măng sản xuất vẫn được ưu tiên hàng đầu. Giải pháp được đại học Rice đưa ra rất phù hợp với mục tiêu này. Shahsavari giải thích: "Bạn sẽ không cần nhiều xi-măng bởi nó đã cứng hơn trước. Bắt nguồn từ việc các hạt tạo hình dính kết với nhau chặt chẽ hơn, tạo ra những vi cấu trúc cứng hơn. Thêm vào đó là độ bền cao hơn bởi bê-tông càng ít lỗ hổng, các chất hóa học không mong muốn sẽ ít có cơ hội xâm nhập vào bê-tông, do đó nó sẽ bảo vệ phần thép gia cường bên trong tốt hơn."
Theo: New Atlas