Бетон є інструментом прогресу цивілізації, який застосовується при будівництві. Дослідники MIT Concrete Sustainability Hub у співпраці з Французьким національним центром наукових досліджень обіцяють зробити бетон більш стійким. Вони хочуть додати нові функціональні можливості, а саме електронну провідність. Вона дозволила б використовувати бетон для цілого ряду нових застосувань, починаючи від самонагрівання і накопичування енергії.
Їхній підхід спирається на введенні високопровідних нановуглецевих матеріалів у цементну суміш. Дослідники хотіли переконатись, що обраний ними нановуглець є доступним для масштабного виробництва. Нановуглець – дешевий вуглецевий матеріал з чудовою провідністю.
“Бетон є ізоляційним матеріалом. Проте, коли ми додаємо частинки нановуглецю – дешевого вуглецевого матеріалу з чудовою провідністю – він переходить від ізолятора до провідного матеріалу.” – каже Соліман.
Пропускаючи струм через зразок розчину дослідники змогли нагріти його до температури 115 F. Вводячи нановуглецеву сажу лише у 4 відсотки об’єму їх сумішей, Соліман та її колеги виявили, що вони можуть досягти точки, в якій їх зразки можуть мати струм.
«Джоулеве (резистивне) нагрівання спричинене взаємодією між рухомими електронами та атомами в провіднику. Прискорені електрони в електричному полі обмінюються кінетичною енергією кожного разу, коли стикаються з атомом. Це викликає вібрацію атомів у решітці, що проявляється як нагрівання та підвищення температури в матеріалі», – пояснює Ніколас Шану, співавтор роботи.
У своїх експериментах вони виявили, що навіть невелика напруга – до 5 вольтів – може підвищити температуру поверхні їх зразків до 41 градуса Цельсія.
Ця технологія може бути ідеальною для променевого опалення підлоги в приміщенні. Зазвичай внутрішнє променеве опалення здійснюється завдяки циркуляції підігрітої води в трубах. Побудувати та підтримувати цю систему надто складно. Однак, коли сам цемент стає нагрівальним елементом, система опалення стає простішою в монтажі та надійнішою. Крім того, цемент забезпечує більш однорідний розподіл тепла завдяки хорошій дисперсії наночастинок у матеріалі.
Нанокарбоновий цемент можна також застосовувати на відкритому повітрі. Забезпечуючи радіаційне нагрівання на тротуарах можна заощадити мільйони доларів на ремонтних та експлуатаційних витратах.
Незважаючи на те, що цей найсучасніший цемент пропонує рішення для цілого ряду проблем, досягнення багатофункціональності створює різноманітні технічні проблеми. Щоб забезпечити ідеальну провідність, науковці досліджують таку властивість як звивистість. Вона притаманна електронам, що рухаються через цемент. Шлях, який вони повинні пройти у зразку, завжди довший за довжину самого зразка. Ступінь, на якому цей шлях довший – це звивистість. Досягнення оптимальної звивистості – збалансування кількості та дисперсії вуглецю. Якщо вуглець занадто сильно диспергований, проводка стане рідкою, що призведе до високої звивистості. Без достатньої кількості вуглецю звивистість буде занадто великою, щоб утворити пряму, ефективну проводку з високою провідністю.
Навіть додавання великої кількості вуглецю може виявитись непродуктивним. У певний момент провідність перестане покращуватися, і це лише збільшить витрати.
Наразі дослідження ще тривають, дослідники шукають оптимальні варіанти для вирішення технічних проблем.
Читайте найцікавіші еконовини АРТ-ЕНЕРГО в Telegram та Фейсбуці