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El nano secreto del hormigón
El hormigón es el material artificial más utilizado y la fabricación de cemento, el ingrediente principal del hormigón, representa del 5 al 10 por ciento de todas las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono, uno de los principales gases de efecto invernadero que intervienen en el calentamiento global. Pero ahora, los investigadores del MIT que estudian la nanoestructura del hormigón han hecho un descubrimiento que podría conducir a menores emisiones de dióxido de carbono durante la producción de cemento.
Al sondear un material a base de cemento con una aguja de diamante ultrafina se produce una impresión del orden de nanómetros. Los investigadores del MIT utilizaron esta técnica para estudiar la nanoestructura del cemento, que gobierna las propiedades del hormigón elaborado con el cemento. Mediante la ingeniería del cemento a nanoescala, esperan reducir las emisiones de dióxido de carbono de la producción de cemento.
Los investigadores descubrieron que los componentes básicos del hormigón son partículas de unos pocos nanómetros de tamaño y que estas nanopartículas están dispuestas de dos formas distintas. También encontraron que la disposición del empaque de las nanopartículas impulsa las propiedades del hormigón, como resistencia, rigidez y durabilidad. El mineral [que produce la nanopartícula] no es la clave para lograr esas propiedades ... más bien, es el empaque [de las partículas], dice Franz-Josef Ulm , profesor de ingeniería civil y ambiental en el MIT que dirigió el trabajo. Entonces, ¿no podemos reemplazar el mineral original con otra cosa? El objetivo es formular un cemento de reemplazo que mantenga la disposición del empaque de las nanopartículas, pero que se pueda fabricar con menores emisiones de dióxido de carbono.
La fabricación de cemento genera emisiones de dióxido de carbono porque implica la quema de combustible para calentar una mezcla en polvo de piedra caliza y arcilla a temperaturas de 1.500 ºC. Cuando el cemento se mezcla con agua, se forma una pasta; Se añaden arena y grava a la pasta para hacer hormigón. Pero los científicos no comprenden completamente la estructura del cemento, dice Ulm.
El mayor misterio es la estructura y las propiedades del bloque de construcción elemental de la pasta de cemento y agua, el silicato de calcio hidratado, que actúa como el pegamento que mantiene unidos todos los ingredientes del hormigón. Todas las propiedades macroscópicas del hormigón de alguna manera están relacionadas con cómo es esta fase a nivel nanométrico, dice Jeffrey Thomas , profesor de ingeniería civil y ambiental en la Northwestern University.
Si esta estructura se entendiera mejor, los investigadores podrían diseñar cemento a nanoescala para adaptar las propiedades del hormigón, dice Hamlin Jennings , profesora de ingeniería civil y ambiental y ciencia de los materiales en Northwestern. Debido a que los investigadores no conocen el comportamiento del cemento a nanoescala, hasta ahora, el progreso en la investigación del hormigón y el cemento ha sido en gran parte impredecible, dice Jennings.
Jennings había predicho que el silicato de calcio hidratado es una partícula con un tamaño de aproximadamente cinco nanómetros. Ulm y su investigador postdoctoral Georgios Constantinides han confirmado esta estructura mediante una técnica llamada nanoindentación, que consiste en sondear pastas de cemento con una aguja de diamante ultrafina.
Los investigadores encontraron que las nanopartículas de hidrato de silicato de calcio estaban dispuestas de una manera similar a las naranjas empaquetadas al azar en una caja o como la disposición piramidal de las naranjas en una tienda de comestibles. Con estos dos arreglos, las partículas llenan, respectivamente, el 63 y el 74 por ciento del volumen de la pasta de cemento, siendo el resto agua y aire. Los volúmenes relativos que ocupan las nanopartículas en la pasta controlan las propiedades mecánicas de la pasta de cemento, encontraron los investigadores.
Ulm y Constantinides ahora planean cambiar los componentes del cemento (una idea es sustituir el calcio por magnesio) para que se requiera menos calor para fabricar cemento, pero las nanopartículas resultantes todavía tienen la misma disposición de empaque que las nanopartículas de silicato de calcio hidratado.
También planean estudiar la nanopartícula hasta que la comprendan hasta el nivel atómico. Esto les dará aún más libertad para el cemento de nanoingeniería, dice Ulm. Podríamos agregarle químicos para mejorar el desempeño [del concreto] con tal vez menos cemento, o el mismo cemento que le da mayor resistencia.
Con dos mil millones de toneladas de cemento que se producen en el mundo cada año y la demanda de concreto en aumento con el crecimiento que está ocurriendo en China e India, Ulm dice que es imperativo reducir las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con el concreto como parte del esfuerzo para combatir a nivel mundial. calentamiento.