Οι δυνάμεις της φύσης ξεπερνούν συχνά τις αντοχές των υλικών που χρησιμοποιούμε παραδοσιακά για την κατασκευή των χωρικών υποδομών μας. Ο πάγος και το χιόνι μετατρέπουν τους μεγάλους δρόμους σε ερείπια κάθε χρόνο, ενώ τελευταία βλέπουμε όλο και συχνότερα θεμέλια κτιρίων να καταρρέουν, παρά την ανθεκτική κατασκευή τους.
Για να απαντήσουν στις προκλήσεις οι μηχανικοί συνήθως βελτιώνουν τη λειτουργία των υλικών αυξάνοντας την ποσότητα άνθρακα, αλλά κάτι τέτοιο θεωρείται πως κάνει τα υλικά να χάνουν μέρος της μηχανικής τους απόδοσης. Με την εισαγωγή νανοσωματιδίων στο τσιμέντο, ερευνητές του Πανεπιστημίου Northwestern δημιούργησαν ένα πιο έξυπνο, πιο ανθεκτικό και εξαιρετικά λειτουργικό τσιμέντο.
Η έρευνα τους δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Philosophical Transactions of the Royal Society A.
Με το τσιμέντο να είναι το πιο διαδεδομένο υλικό παγκοσμίως και τη βιομηχανία τσιμέντου να αντιπροσωπεύει το 8% των εκπομπών αερίων θερμοκηπίου που προκαλούνται από την ανθρώπινη δραστηριότητα, η Ange-Therese Akono, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης και επίκουρη καθηγήτρια στη Σχολή Μηχανικών του McCormick στράφηκε στη νανοενίσχυση του τσιμέντου για να βρει τη λύση. Ο Akono δήλωσε ότι τα νανοϋλικά μειώνουν το αποτύπωμα άνθρακα των τσιμέντων, αλλά μέχρι τώρα, λίγα ήταν γνωστά για τον αντίκτυπό/αντοχή τους στα θραύσματα. «Ο ρόλος των νανοσωματιδίων σε αυτήν την εφαρμογή δεν είχε γίνει κατανοητός ως τώρα. Πρόκειται για μια σημαντική ανακάλυψη», δήλωσε η Akono, η οποία υπογραμμίζει την ενίσχυση της αντοχής του νανοενισχυμένου τσιμέντου στο θραύσμα.
Παράλληλα, η ενσωμάτωση μικρής ποσότητας νανοϋλικών αποδείχθηκε ότι βελτιώνει τις ιδιότητες μεταφοράς νερού, συμπεριλαμβανομένης της δομής των πόρων και της αντίστασης στη διείσδυση νερού, με τις αναφερόμενες σχετικές μειώσεις να αγγίζουν το 76% και 78%, αντίστοιχα.
Τα αποτελέσματα της μελέτης είναι ελπιδοφόρα για πολλούς δομικούς τομείς, όπως η κατασκευή κτιρίων, η συντήρηση δρόμων, η βελτιστοποίηση αισθητήρων και γεννητριών και η παρακολούθηση της δομικής υγείας.
Σημειώνεται ότι μέχρι το 2050, τα Ηνωμένα Έθνη προβλέπουν ότι τα δύο τρίτα του παγκόσμιου πληθυσμού θα συγκεντρωθούν στις πόλεις. Δεδομένης της τάσης προς την αστικοποίηση, η παραγωγή τσιμέντου αναμένεται να ανεβεί στα ύψη. Η εισαγωγή πράσινου σκυροδέματος που χρησιμοποιεί ελαφρύτερο τσιμέντο υψηλότερης απόδοσης θα μειώσει το συνολικό αποτύπωμα άνθρακα επεκτείνοντας τα προγράμματα συντήρησης και μειώνοντας τα απόβλητα.
Εναλλακτικά, τα έξυπνα υλικά επιτρέπουν στις πόλεις να καλύψουν τις ανάγκες των αυξανόμενων πληθυσμών όσον αφορά τη συνδεσιμότητα, την ενέργεια και την πολυλειτουργικότητα. Τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα, συμπεριλαμβανομένων των νανοπεταλιδίων γραφενίου, εξετάζονται ήδη για το σχεδιασμό έξυπνων αισθητήρων με βάση το τσιμέντο.