از زمانی که ما انسان ها شروع به تولید موادی کردیم که از آنها برای ساخت بناهای خود استفاده می کنیم، همواره نیروهای طبیعت از ما پیشی گرفته اند. برف و یخ همه ساله باعث صدمه و تخریب جاده های اصلی می شوند . پایه‌های خانه‌ها علی‌رغم ساخت و ساز مستحکم، ترک می‌خورند و فرو می‌ریزند. علاوه بر چندین تن زباله تولید شده توسط تکه‌های شکسته بتن، هر مایل از جاده برای ایالات متحده سالانه 24 هزار دلار هزینه برمی دارد تا به خوبی تعمیر شود.
مهندسانی که با مواد هوشمند به حل این مشکل می پردازند، معمولاً با افزایش مقدار کربن عملکرد مواد را بهبود می بخشند، اما انجام این کار باعث می شود که مواد برخی از عملکردهای مکانیکی خود را از دست بدهند. محققان دانشگاه نورث وسترن با وارد کردن نانوذرات به سیمان معمولی، سیمانی هوشمندتر، بادوام تر و بسیار کاربردی تر را تشکیل دادند.
این تحقیق در 21 ژوئن 2021 در*مجله تبادلات فلسفی در جامعه سلطنتی منتشر شد.
(*مجله تبادلات فلسفی در جامعه سلطنتی یاPhilosophical Transactions of the Royal Society قدیمی‌ترین مجله‌ای در دنیا است که منحصراً برای انتشار محتوای علمی به کار رفته است)
با توجه به اینکه سیمان پرمصرف ترین ماده در سطح جهان است و صنعت سیمان، 8 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از انسان را به خود اختصاص می دهد، پروفسور آنگ-ترز آکونو، مهندس عمران و محیط زیست، برای یافتن یک راه حل به سیمانِ نانو تقویت شده روی آورد. آکونو، نویسنده اصلی این مطالعه و استادیار دانشکده مهندسی مک کورمیک، می گوید که نانومواد ردپای کربن کامپوزیت های سیمان را کاهش می دهد، اما تاکنون اطلاعات کمی در مورد تأثیر آنها بر رفتار شکستگی سیمان وجود دارد.
آکونو می گوید: " نقش نانوذرات در این کاربرد قبلاً درک نشده بود، بنابراین این یک پیشرفت بزرگ است. من به عنوان یک متخصصِ مکانیکِ آموزش دیده در گرایش شکست ، می‌خواستم بفهمم که چگونه می‌توان تولید سیمان را به نحوی تغییر داد که پاسخ بیشتری به شکست بدهد. "
آزمایش شکستگی سنتی، که در آن یک سری پرتوهای نور بر روی یک بلوک بزرگ از مواد ریخته می‌شود، مستلزم زمان و مواد زیادی است و به ندرت هم منجر به کشف ماده جدیدی می‌شود.

با استفاده از روشی نوآورانه به نام تستِ خراش، آزمایشگاه پروفسور آکونو به طور موثر، پیش بینی هایی را در مورد خواص مواد در کسری از زمان انجام داد. این روش با استفاده از یک *پروب مخروطی با افزایش نیروی عمودی در برابر سطح مقطع های میکروسکوپی از سیمان، واکنش شکست را آزمایش می کند. آکونو، که این روش جدید را در طول دوره دکتری خود توسعه داده است، می گوید که این روش به مواد کمتری نیاز دارد و کشف موارد جدید را تسریع می کند.
(*پروب مخروطی : به طور کلی برای اندازه گیری فشار استاتیک، فشار کل و جهت فشار در جریان های مافوق صوت استفاده می شود.)
آکونو می گوید: "من توانستم به طور همزمان به بسیاری از مواد مختلف نگاه کنم. روش من مستقیما در مقیاس های میکرومتری و نانومتری به کار می رود که باعث صرفه جویی قابل توجهی در زمان می شود و سپس بر اساس آن، ما می‌توانیم درک کنیم که مواد چگونه رفتار می‌کنند و چگونه ترک می‌خورند و در نهایت مقاومت آنها در برابر شکست را پیش‌بینی‌کنیم."
پیش‌بینی‌های شکل گرفته از طریق تست‌های خراش به مهندسان اجازه می‌دهد تا تغییراتی در مواد ایجاد کنند، که عملکرد آنها را در مقیاس بزرگ‌تر افزایش دهد. در این مقاله، نانو صفحه های گرافن، ماده‌ای که به سرعت در شکل‌گیری مواد هوشمند محبوبیت پیدا کرد، برای بهبود مقاومت در برابر شکست سیمان معمولی مورد استفاده قرار گرفت. همچنین نشان داده شد که ترکیب مقدار کمی از نانومواد ، خواص انتقال آب از جمله ساختار منافذ و مقاومت در برابر نفوذ آب را با کاهش نسبی به ترتیب 76 و 78 درصدی بهبود می‌بخشد.
مفاهیم این مطالعه زمینه های بسیاری از جمله ساختمان سازی، تعمیر و نگهداری جاده، بهینه سازی حسگر و ژنراتور و نظارت بر سلامت سازه را در برمی گیرد.
سازمان ملل پیش بینی می کند که تا سال 2050،دو سوم جمعیت جهان در شهرها متمرکز خواهند شد. با توجه به گرایش به سمت شهرنشینی، انتظار می رود تولید سیمان سر به فلک بکشد. معرفی بتن سبز که از سیمان سبک تر و با کارایی بالاتر استفاده می کند، ردپای کلی کربنِ سیمان را با گسترش برنامه های نگهداری و کاهش ضایعات کاهش می دهد.
همچنین، مواد هوشمند به شهرها این امکان را می دهند تا نیازهای جمعیت رو به رشد را از نظر ارتباطات، انرژی و چند کاربردی بودن ، برآورده کنند. نانومواد مبتنی بر کربن از جمله نانوصفحات گرافن در حال حاضر در طراحی حسگرهای مبتنی بر سیمانِ هوشمند برای نظارت بر سلامت ساختاری مورد توجه قرار گرفته‌اند.
پروفسور آکونو می گوید که هم برای پیگیری این مقاله در آزمایشگاه خودش و هم از تاثیراتی که تحقیقات او بر روش کار دیگران می گذارد، هیجان زده است. او در حال حاضر روی پیشنهادهایی کار می کند که به دنبال استفاده از ضایعات ساختمانی برای تشکیل بتن جدید هستند و در نظر دارد با افزایش کسری از نانومواد موجود در سیمان، این مطاله را پیش ببرد.
آکونو می گوید: "من می خواهم به ویژگی های دیگری مانند درک عملکرد طولانی مدت نگاه کنم. به عنوان مثال، اگر ساختمانی از نانومواد مبتنی بر کربن داشته باشید، چگونه می توانید مقاومت آن را در 10، 20 و 40 سال آینده پیش بینی کنید؟ "
این مطالعه، یعنی"چگونگی شکستِ سیمانِ یک‌بعدی و دو بعدیِ تقویت‌شده با نانو از طریق تستِ خراش" توسط بخش نوآوری‌های عمرانی، مکانیکی و ساخت بنیاد ملی علوم (جایزه شماره 18929101) حمایت شد.
پروفسور آکونو در نشست ماه اکتبر انجمن سلطنتی در مورد این مقاله با عنوان «رویکردی جذاب برای اختراع مواد سخت جدید : شکستگی عجیب‌تر از اصطکاک » سخنرانی خواهد کرد که پیشرفت‌های عمده در مکانیکِ شکست را در قرن گذشته برجسته می کند.
مرجع: پژوهش " چقرمگیِ شکستِ سیمانِ یک‌بعدی و دو بعدیِ تقویت‌شده با نانو از طریق تستِ خراش " توسط پروفسور آنگ ترز آکونو که در تاریخ 21 ژوئن 2021، در مجله تبادلات فلسفی در جامعه سلطنتی منتشر شده است.
 

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .