Onderzoekers van de Princeton University hebben een cement ontwikkeld dat 5,6 keer sterker en duurzamer is dan conventioneel cement. Wat dit nieuwe materiaal zo bijzonder maakt, is de inspiratie die de wetenschappers haalden uit de structuur van menselijk botweefsel, in het bijzonder het buitenste, sterke deel van het dijbeen (femur), dat bekend staat als corticaal bot. Deze cementpasta belooft een revolutie teweeg te brengen in de bouwsector door gebouwen sterker en veiliger te maken.
De noodzaak van betere bouwmaterialen
In de bouw wordt vaak gebruikgemaakt van cement, maar dit materiaal is van nature bros. Dat betekent dat het onder bepaalde omstandigheden plotseling en catastrofaal kan breken, wat in het slechtste geval zelfs kan leiden tot instorting van gebouwen. Dit kan niet alleen materiële schade veroorzaken, maar ook levens in gevaar brengen.
“Een van de grootste uitdagingen bij brosse bouwmaterialen is dat ze vaak falen op een abrupte en catastrofale manier,” legt Shashank Gupta, promovendus aan de afdeling Civiele en Milieukundige Techniek van Princeton University, uit.
Daarom is het cruciaal om bouwmaterialen te ontwikkelen die een hoge weerstand tegen scheuren hebben. Idealiter zou een beschadigd materiaal de impact gelijkmatig over de structuur moeten verspreiden, waardoor het risico op een plotselinge ineenstorting wordt verminderd.
De wetenschap achter scheur-resistente cementpasta
De onderzoekers van Princeton vonden hun inspiratie in de biologische wereld, meer specifiek in de structuur van menselijk botweefsel. Het corticale bot bestaat uit ovale buisvormige structuren, bekend als osteonen, die zijn ingebed in een zwakkere organische matrix. Deze architectuur zorgt ervoor dat scheuren worden omgeleid en verspreid, waardoor het bot bestand is tegen breuken.
Geïnspireerd door deze natuurlijke structuur, ontwierpen de onderzoekers een cementpasta met cilindrische en ovale buizen. Deze buisvormige structuren zorgen ervoor dat de cementpasta op een vergelijkbare manier weerstand biedt tegen scheuren als het corticale bot. Elke keer dat er een scheur in het materiaal ontstaat, wordt deze door de buizen gevangen, wat de verspreiding vertraagt. Dit proces absorbeert energie, waardoor het cement meer tijd heeft om weerstand te bieden tegen schade en het plotseling bezwijken van de structuur wordt voorkomen.
“We ontdekten dat door gebruik te maken van de geometrie, de scheur interactie aangaat met de buizen, wat resulteert in een gecontroleerde verspreiding en daardoor een sterkere weerstand tegen plotselinge breuken,” aldus Reza Moini, assistent-professor aan Princeton University.
Geometrische versterking van cement
In tegenstelling tot de traditionele methoden om cement sterker te maken door toevoeging van vezels of plastic, richt de nieuwe benadering van de Princeton-onderzoekers zich op de geometrische vormgeving van het materiaal zelf. Door het toevoegen van de buisvormige structuren wordt het materiaal niet alleen sterker, maar ook beter bestand tegen scheuren.
“Men zou verwachten dat het materiaal juist minder scheurvast wordt wanneer holle buizen worden toegevoegd,” merkt Moini op. “Maar door slim gebruik te maken van de geometrie van de buizen kunnen we de scheurweerstand vergroten zonder concessies te doen aan de sterkte.”
Het team ontdekte bovendien dat de interactie tussen de scheuren en de buizen een gelaagd versterkingsmechanisme in gang zet, waarbij bij elke interactie meer energie wordt gedissipeerd. Dit unieke proces zorgt ervoor dat de scheur stap voor stap wordt gecontroleerd, waardoor het materiaal geleidelijk wordt beschadigd in plaats van in één keer te breken.
Een nieuwe manier van meten en ontwerpen
Naast het verbeteren van de taaiheid en scheurweerstand van cement, introduceerden de onderzoekers ook een nieuwe methode om de mate van wanorde in de structuur te meten, een belangrijk ontwerpparameter. Ze gebruikten principes uit de statistische mechanica om een numeriek raamwerk te ontwikkelen dat de architectuur van het materiaal beschrijft op een spectrum van geordend tot willekeurig.
Dit raamwerk biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van materialen met een op maat gemaakte mate van wanorde, wat de weg vrijmaakt voor verder onderzoek en toepassing in andere brosse materialen.
“We staan nog maar aan het begin van de mogelijkheden,” zegt Gupta. “Er zijn nog veel variabelen te onderzoeken, zoals het toepassen van de mate van wanorde op de grootte, vorm en oriëntatie van de buizen in het materiaal.”
De onderzoekers zijn van plan om hun bevindingen verder te ontwikkelen door nieuwe architecturen en combinaties van harde en zachte materialen binnen de buizen te onderzoeken. Het gebruik van geavanceerde fabricagetechnieken, zoals 3D-printing en robotica, zal het mogelijk maken om deze ontwerpen op grote schaal toe te passen in civiele infrastructuur.
Het artikel, “Tough Cortical Bone-Inspired Tubular Architected Cement-Based Material with Disorder“, werd gepubliceerd in Advanced Materials.
