Zespół badaczy z Princeton University postanowił przyjrzeć się muszlom ostryg i uchowców, które pomimo pozornej delikatności wykazują niezwykłą wytrzymałość. Jak donoszą w swoich badaniach, udało im się opracować kompozyt cementowy o 17-krotnie większej odporności na pękanie od standardowych materiałów. Co równie imponujące, nowy materiał jest aż 19 razy bardziej elastyczny niż tradycyjne rozwiązania.
Beton przyszłości prosto z dna morza
Sekret tej rewolucyjnej technologii tkwi w strukturze masy perłowej, czyli wewnętrznej warstwy muszli, która przez miliony lat ewolucji osiągnęła doskonałość mechaniczną. Ten naturalny kompozyt składa się z heksagonalnych płytek twardego aragonitu połączonych elastycznym biopolimerem. To właśnie połączenie sztywności z giętkością daje masie perłowej jej wyjątkowe właściwości.
Czytaj też: Zapomnij o klasycznym betonie. Materiał z bakterii i grzybów zastąpi go w ciągu 10 lat
Kiedy materiał ten jest poddawany naprężeniom, poszczególne płytki przesuwają się względem siebie w skali nanometrycznej. Ten mechanizm pozwala na rozpraszanie energii i skutecznie powstrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć. Miękki biopolimer pełni przy tym rolę naturalnego amortyzatora, nadając całej strukturze dodatkową elastyczność.
Naukowcy z Princeton postanowili odtworzyć tę genialną strategię natury, stosując naprzemienne warstwy sproszkowanego cementu Portland i cienkiego polimeru. Kluczowym elementem procesu produkcyjnego okazała się obróbka laserowa, która umożliwiła precyzyjne tworzenie wzorów płytek i rowków, a następnie laminowanie ich z warstwami elastomeru.
Najlepsze rezultaty osiągnięto w strukturach z całkowicie oddzielonymi heksagonalnymi płytkami cementowymi, które najwierniej naśladowały naturalną masę perłową. Co ciekawe, zamiast bezmyślnie kopiować przyrodę, badacze skupili się na zrozumieniu fundamentalnych zasad działania tego mechanizmu. Paradoksalnie, kluczem do sukcesu okazało się celowe wprowadzanie kontrolowanych defektów do materiału.
Te pozorne słabości w rzeczywistości kierują propagację pęknięć w określony sposób, zapobiegając katastrofalnemu zniszczeniu całej struktury. Kompozyty wzorowane na masie perłowej osiągnęły udarność (odporność na pękanie) porównywalną z najwyższej klasy betonem ultra-wysokowydajnym. Jednocześnie materiał zachował niemal identyczną wytrzymałość na zginanie jak tradycyjna pasta cementowa.
Równie imponujący jest wzrost ciągliwości nowego kompozytu – aż o 1791 proc w porównaniu z konwencjonalnymi materiałami cementowymi. W praktyce oznacza to, że konstrukcje z takiego betonu mogłyby ulegać znacznym odkształceniom przed ostatecznym zniszczeniem, co przekładałoby się na większe bezpieczeństwo użytkowników. Pełne wyniki badań ukazały się w czasopiśmie Advanced Functional Materials.