Совет: цемент с выемками демонстрирует уникальные свойства: модели показывают, что наноиндентирование может принести пользу кристаллам в бетоне.

Тоберморит — это встречающийся в природе кристаллический аналог гидрата силиката кальция (C-S-H), из которого состоит цемент, который, в свою очередь, связывает бетон, наиболее часто используемый в мире материал. Форма тоберморита, используемая древними римлянами, считается ключом к легендарной прочности их подводных бетонных конструкций.Мелкослойный материал будет деформироваться по-разному в зависимости от того, как применяются стандартные силы — сдвиг, сжатие и растяжение, но, по словам ученого-материаловеда из Райса Рузбеха Шахсавари, деформация будет одинаковой для разных размеров образцов. Вместе с ведущим автором и аспирантом Лэй Тао он провел исследование, которое публикуется в научных отчетах Nature в открытом доступе.

Для своего последнего исследования Шахсавари и Тао построили молекулярно-динамические модели материала. Их моделирование выявило три ключевых молекулярных механизма, действующих в тоберморите, которые также, вероятно, ответственны за прочность C-S-H и других слоистых материалов. Один из них — это механизм смещения, при котором атомы под напряжением движутся коллективно, пытаясь сохранить равновесие.

Другой — диффузионный механизм, при котором атомы движутся более хаотично. Они обнаружили, что материал лучше всего сохраняет свою структурную целостность при сдвиге и в меньшей степени при сжимающей, а затем растягивающей нагрузке.Более интересным для исследователей был третий механизм, с помощью которого образовывались связи между слоями при вдавливании наноиндентора в материал. Наноиндентор — это устройство (в данном случае имитируемое), используемое для проверки твердости очень малых объемов материалов.

Высокое напряжение в точке вдавливания вызвало локальные фазовые превращения, при которых кристаллическая структура материала деформировалась и создавала прочные связи между слоями, что не наблюдается при стандартных силах. Прочность связи зависела как от величины силы, так и, в отличие от факторов стресса на макроуровне, от размера наконечника.«Прямо под маленьким кончиком наноиндентора возникает значительное напряжение», — сказал Шахсавари. «Это соединяет соседние слои.

После того, как вы удалите наконечник, структура не вернется к исходной конфигурации. Это важно: эти преобразования необратимы.

«Помимо фундаментального понимания основных механизмов деформации, эта работа раскрывает истинную механическую реакцию системы на небольшие локализованные (по сравнению с обычными) нагрузками, такие как наноиндентирование», — сказал он. «Если изменение размера наконечника (и, следовательно, внутренней топологии) приведет к изменению механики — например, сделает материал более прочным — тогда можно использовать эту функцию, чтобы лучше спроектировать систему для конкретных локализованных нагрузок».Шахсавари — доцент кафедры гражданской и экологической инженерии, материаловедения и наноинженерии.Национальный научный фонд (NSF) поддержал исследование.

Вычислительные ресурсы были предоставлены Национальным институтом здравоохранения и наградой IBM Shared University Research в партнерстве с CISCO, Qlogic and Adaptive Computing и суперкомпьютером DAVinCI, поддерживаемым Rice NSF и находящимся под управлением Центра Rice’s Research Computing; ресурсы были закуплены в партнерстве с Институтом информационных технологий Кена Кеннеди Райса.

Портал обо всем