Her er et tips: Indusert sement viser unike egenskaper

Anonim

Rice University forskere har bestemt at uansett hvor stor eller liten et stykke tobermoritt er, vil det svare på lastekrefter på nøyaktig samme måte. Men poking det med et skarpt punkt vil forandre sin styrke.

Tobermoritt er en naturlig forekommende krystallinsk analog til kalsiumsilikathydratet (CSH) som utgjør sement, som igjen binder betong, verdens mest brukte materiale. En form for tobermoritt brukt av gamle romere antas å være en nøkkel til den legendariske styrken av deres undersjøiske betongkonstruksjoner.

Det finlagde materialet vil deformere på forskjellige måter avhengig av hvordan standardstyrker skjær, kompresjon og spenning blir brukt, men deformasjonen vil være konsistent blant utvalgsstørrelser, ifølge forskerforsker Rice Materials Rouzbeh Shahsavari. Han gjennomførte forskningen, som fremgår av Nature 's open access Scientific Reports, med hovedforfatter og kandidatstudent Lei Tao.

For deres siste undersøkelse bygget Shahsavari og Tao molekylære dynamikkmodeller av materialet. Deres simuleringer avslørte tre viktige molekylære mekanismer på jobben i tobermoritt som også er sannsynlig ansvarlig for styrken av CSH og andre lagdelte materialer. Den ene er en forskyvningsmekanisme der atomer under stress beveger seg kollektivt som de forsøker å holde seg i likevekt. En annen er en diffusiv mekanisme der atomer beveger seg mer kaotisk. De fant at materialet opprettholder sin strukturelle integritet best under skjær, og mindre under komprimering og deretter strekkbelastning.

Mer interessant for forskerne var den tredje mekanismen, hvorved bindinger mellom lagene ble dannet når man presset en nanoindenter inn i materialet. En nanoindenter er en enhet (simulert i dette tilfellet) som brukes til å teste hardheten til svært små volumer av materialer. Den høye spenningen ved inngrepspunktet førte til lokale fasetransformasjoner hvor den krystallinske strukturen av materialet deformerte og skapt sterke bindinger mellom lagene, et fenomen ikke observert under standardkreftene. Styrken av bindingen avhenger av både mengden av kraft og, i motsetning til makroskala stressorene, spissenes størrelse.

"Det er betydelig stress rett under det lille spissen av nanoindenteret, " sa Shahsavari. "Det forbinder de nærliggende lagene. Når du først fjerner spissen, går strukturen ikke tilbake til den opprinnelige konfigurasjonen. Det er viktig: Disse transformasjonene er irreversible.

"Foruten å gi grunnleggende forståelse av viktige deformasjonsmekanismer, avslører dette arbeidet den sanne mekaniske responsen til systemet under små lokale (versus konvensjonelle) belastninger, for eksempel nanoindentasjon, " sa han. "Hvis du endrer tippestørrelsen (og dermed den interne topologien) kommer til å endre mekanikken, for eksempel, gjør materialet sterkere, så kan man bruke denne funksjonen til å bedre utforme systemet for bestemte lokale belastninger."

Shahsavari er assisterende professor i sivil og miljøteknikk og materialvitenskap og nanoengineering.

menu
menu