מהנדסים בפרינסטון פיתחו חומר מרוכב מלט בהשראת צמיל, או אם הפנינה, מה שהופך אותו לעמיד בפני סדקים פי 17 וניתן למתיחה פי 19 ממלט רגיל. קומפוזיט זה בהשראת ביו, שנוצר על ידי שכבות מתחלפות של משחת צמנט ופולימר, יכול לשפר את העמידות של חומרים קרמיים שבירים שונים. ניסויים הראו כי קורות עם טבליות משושה מופרדות הראו שיפורים משמעותיים במשיכות ובקשיחות השבר. בעוד שהממצאים מבטיחים, יש צורך במחקר נוסף כדי ליישם טכניקות אלו בשטח ועל חומרים קרמיים אחרים. קרדיט: Sameer Khan/Fotobuddy
מהנדסי פרינסטון פיתחו חומר מרוכב מלט חדש בהשראת צמיל קונכיות, מה שמשפר משמעותית את העמידות והגמישות שלו.
מהנדסים בפרינסטון, השואבים השראה מהחומרים המצויים בקונכיות צדפות ואבלונים, פיתחו קומפוזיט מלט חדש. חומר חדשני זה עמיד פי 17 בפני סדקים ופי 19 גמיש וניתן לעיוות מבלי להישבר בהשוואה למלט מסורתי. פריצת דרך זו יכולה לשפר משמעותית את עמידות הסדקים של חומרים קרמיים שבירים שונים, החל מבטון ועד חרסינה.
"אם נוכל להנדס בטון כדי לעמוד בפני התפשטות סדקים, נוכל להפוך אותו לקשיח יותר, בטוח יותר ועמיד יותר", אמר החוקר שאשנק גופטה, סטודנט לתואר שני במעבדה של רזה מויני במחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית.
במאמר שפורסם ב-10 ביוני בכתב העת חומרים פונקציונליים מתקדמיםצוות המחקר בראשותו של Moini, עוזר פרופסור להנדסה אזרחית וסביבתית, דיווח כי יצירת שכבות מתחלפות של משחת צמנט עם טבלאות ופולימר דק יכולה להגביר משמעותית את עמידות הסדקים ואת יכולת העיוות מבלי להישבר לחלוטין (משיכות).
עיצוב ובדיקה בהשראת ביו
המעבדה של מויני מסתכלת לעתים קרובות על הביולוגיה להשראה בעבודתה על חומרי בניין. במקרה זה, הצוות פיתח חומר מרוכב בהשראת חומר טבעי הנקרא נקר, או אם הפנינה, שנמצא בתוך קונכיות מסוימות. גופטה אמר שברמה המיקרוסקופית, נקרת מורכבת מטבליות משושה של המינרל הקשה ארגוניט המודבקות זו לזו על ידי ביופולימר רך.
טבליות האראגוניט תורמות באופן משמעותי לחוזק של נקר, בעוד שהביופולימר מוסיף גמישות ועמידות בפני סדקים. מנגנון ההקשחה כרוך בהחלקה של טבליות הארגוניט תחת לחץ, מה שביחד עם מנגנונים אחרים, מאפשר לציפורן לפזר אנרגיה. פעולת ההחלקה הזו, בשילוב עם סטיית הסדק ועיוות הביופולימר, מאפשרת לצולפן לסבול מתח מכני משמעותי תוך שמירה על שלמותו המבנית, מה שהופך אותו לחזק וגמיש כאחד.
החוקרים יצרו קורות עם שכבות מתחלפות של אריחי צמנט משושה ופולימר דק. קרדיט: Sameer Khan/Fotobuddy
"הסינרגיה הזו בין הרכיבים הקשים והרכים חיונית לתכונות המכאניות המדהימות של Nacre", אמר גופטה.
צוות פרינסטון פיתח חומרים מרוכבים חדשניים בהשראת הצפת, תוך שימוש בחומרי בנייה קונבנציונליים כמו משחת צמנט פורטלנד בשילוב עם כמות מוגבלת של פולימר. הם החליפו שכבות של דפי צמנט עם פולימר הניתן למתיחה מאוד, פוליוויניל סילוקסן. החוקרים יצרו קורות קטנות רב-שכבתיות על ידי החלפת יריעות משחת צמנט עם שכבות דקות של פולימר. קורות אלו עברו לאחר מכן בדיקת כיפוף תלת נקודות מחורצת, כאשר כל קרן נבדקה תחת כיפוף כדי להעריך את עמידות הסדקים (או קשיחות השבר).
תוצאות ותצפיות ניסויים
בניסוי ייצרו החוקרים שלושה סוגים של קורות. הסוג הראשון כלל שכבות מתחלפות של יריעות משחת צמנט ופולימר דק. עבור הסוג השני, הם השתמשו בלייזר כדי לחרוט חריצים משושים לתוך יריעות משחת המלט. יריעות מחורצות אלה נערמו לאחר מכן עם שכבות פולימר דקות ביניהן. הסוג השלישי היה דומה לשלישי, אך החוקרים חתכו את המלט לחלוטין, ויצרו טבליות משושה מופרדות המחוברות בשכבת הפולימר. טבליות משחת צמנט אלו מונחות על גבי שכבת הפולימר בדומה לאופן שבו אראגוניט שוכב על שכבת הביופולימר ב-nacre. שלושת הסוגים הללו הושוו מול עמיתו של משחת צמנט יצוק מוצק (מונוליטי).
הניסויים גילו כי הכשל של קורות הייחוס היה שביר – כלומר, הקורות נשברו באופן פתאומי ומוחלט בהגיען לנקודת הכשל שלהן, ללא משיכות. הקורות בעלות שכבות מתחלפות, הן מחורצות והן ללא חריצים, הוכיחו גמישות מוגברת ועמידות בפני סדקים.
התוצאות המשמעותיות ביותר נצפו בקורות עם טבליות משושה מופרדות לחלוטין, הדומות לאקר. קורות אלו הפגינו פי 19 משיכות ופי 17 קשיחות השבר תוך שמירה על חוזק כמעט זהה לזה של קורת משחת המלט המוצקה.
"הגישה הביולוגית שלנו היא לא פשוט לחקות את המיקרו-מבנה של הטבע, אלא ללמוד מהעקרונות הבסיסיים ולהשתמש בהם כדי ליישר את ההנדסה של חומרים מעשה ידי אדם. אחד המנגנונים המרכזיים שהופכים מעטפת ציפורן קשוחה הוא החלקה של הטאבלט ברמת ננומטר. כאן, אנו מתמקדים במנגנון של החלקת טאבלטים על ידי הנדסת המבנה המובנה בטבלאות של משחת צמנט באיזון עם תכונות הפולימר והממשק ביניהם". אמר מויני. "במילים אחרות, אנחנו מהנדסים בכוונה פגמים בחומרים השבירים כדרך להפוך אותם לחזקים יותר בתכנון."
החוקרים ציינו כי הממצאים מבוססים על תנאי מעבדה וכי יידרש עבודה ומחקר נוספים כדי לפתח את הטכניקות לשימוש בשטח. הם עובדים כדי לקבוע אם קשיחות השבר והמשיכות של המבנים חלים על חומרים קרמיים אחרים מעבר למשחת מלט, כגון בטון.
"אנחנו רק מגרדים את פני השטח; יהיו אפשרויות עיצוב רבות לחקור ולהנדס את תכונות החומר הקשיח והרך המכונן, הממשקים וההיבטים הגיאומטריים שמשחקים בהשפעות הגודל הבסיסיות בחומרי בנייה", אמר מויני.
הפרויקט מומן בחלקו על ידי הקרן הלאומית למדע CAREER Award #2238992 באמצעות תוכנית הנדסה לתשתית אזרחית.
