據外媒報道，自從我們開始生產基礎設施以來，大自然的力量就一直勝過我們用來建造基礎設施的材料。每年冰雪都把主要道路變成碎石，儘管建築堅固房屋的地基還是有裂縫。除了水泥碎塊產生的成噸的廢物外，美國每年還要花費約24000美元用於對公路的維修。
為了解決這個問題，工程師通常會通過增加碳的含量來增強材料的功能，但這樣做會使材料失去一些機械性能。現在，來自美國西北大學的研究人員通過將納米顆粒引入普通水泥中以此形成一種更智能、更耐用、功能更強的水泥。
這項研究於2021年6月21日發表在《 Philosophical Transactions of the Royal Society A》上。
水泥是全球消費最廣泛的材料，該材料行業占人類造成的溫室氣體排放的8%，為此，土木與環境工程教授Ange-Therese Akono轉向納米增強水泥尋求解決方案。該研究的論文第一作者、麥考密克工程學院助理教授Akono表示，雖然納米材料減少了水泥複合材料的碳足跡，但到目前為止，很少有人知道它對斷裂行為的影響。
Akono說道：“在此之前，人們還不了解納米顆粒在這一應用中的作用，所以這是一個重大突破。作為一名經過培訓的斷裂力學專家，我想了解如何改變水泥產量來提高裂縫響應。”
傳統的斷裂測試是將一束光束投射到一大塊材料上，這種測試需要大量的時間和材料且很少能發現新材料。
不過Akono的實驗室通過使用一種叫做划痕測試的創新方法在很短的時間內有效地對材料的性能進行了預測。該方法通過對微觀水泥鑽頭表面施加一個增大垂直力的錐形探針來測試裂縫響應。Akono在她的博士工作期間開發了這種新方法，她稱這種方法需要更少的材料並加速了新材料的發現。
Akono說道：“我可以同時觀察許多不同的材料。我的方法直接應用於微米和納米尺度，它節省了相當多的時間。然後在此基礎上，我們可以了解材料的行為，它們是如何開裂的並最終預測它們的抗斷裂能力。”
另外，通過划痕測試形成的預測也允許工程師對材料做出改變從而在更大範圍內提高其性能。在論文中，石墨烯納米片被用於提高普通水泥的抗斷裂能力，這種材料在形成智能材料方面迅速得到普及。少量納米材料的加入還改善了水輸運性能，其中包括孔隙結構和水滲透阻力，它們相對降低了76%和78%。
該研究涉及許多領域，包括建築施工、道路維護、傳感器和發電機優化及結構健康監測。
聯合國預測，等到2050年，世界人口的2/3將集中在城市。考慮到城市化的趨勢，水泥產量預計將會飆升。採用更輕、性能更好的水泥的綠色混凝土將通過延長維護時間和減少浪費來減少整體碳足跡。
另一方面，智能材料使城市能滿足不斷增長的人口在連通性、能源和多功能方面的需求。包括石墨烯納米片在內的碳基納米材料已經被考慮用於結構健康監測的智能水泥傳感器的設計中。
Akono表示，她對論文在自己實驗室的後續研究及她的研究將影響他人的方式感到興奮。她已經在研究利用建築垃圾來形成新的混凝土的提案，另外還考慮通過增加水泥中納米材料的比例來進一步發展這篇論文。
Akono表示：“我想看看其他資產如了解長期表現。例如，如果你有一個由碳基納米材料組成的建築，你怎麼能預測10年、20年甚至40年的阻力？”
據悉，Akono將在英國皇家學會10月份的會議上講究《A Cracking Approach to Inventing Tough New Materials: Fracture Stranger Than Friction》論文發表講話。講話將突出介紹過去一個世紀以來斷裂力學的重大進展。