Физики расшифровали структуру цемента
Учёные разгадали множество тайн микромира, океана и космоса, но при этом никто отчего-то не обратил внимание на самый распространённый материал из когда-либо созданных человеком. А группа исследователей из Массачусетского технологического (MIT) взялась и расшифровала трёхмерную структуру цементных гидратов — веществ, определяющих прочностные и другие свойства основного строительного материала.
Гидраты образуются, когда цементный порошок смешивается с водой. Постепенно получающаяся паста довольно быстро затвердевает.
Химикам и строителям было известно, что в ходе этого процесса появляются различные структуры, но никто не исследовал их на молекулярном уровне.
Ранее учёные полагали, что гидратированный цемент (а именно гидраты кальция кремния, обозначающиеся C-S-H) на атомном уровне напоминает строение редкого минерала тоберморита (tobermorite). Внутри него слои бесконечных цепочек тетраэдрических молекул кремния перемежались со слоями оксида кальция и выстраивались в упорядоченную структуру.
Но учёные из MIT показали, что в застывшем цементе всё обстоит несколько сложнее. Прежде всего гидраты кальция кремния не являются кристаллами в чистом виде, а представляют собой некий гибрид кристаллической и аморфной составляющих.
Молекулярная модель C-S-H.
Голубым и белым цветом показаны атомы кислорода и водорода в молекуле воды, зелёным и серым – ионы кальция (внутрислойные и межслойные), жёлтыми и красными палочками – атомы кремния и кислорода в тетраэдрах (иллюстрация PNAS).
В двухмерном пространстве один базовый элемент гидратированного цемента содержит некоторые отклонения от «нормы» (тоберморита). В слоях треугольников (кремниевых тетраэдров) каждый третий, шестой и девятый из них отклонены от горизонтальной оси вверх или вниз (в сторону соседних слоёв оксида кальция).
В образовавшихся «дырах» (в слоях оксида кальция) располагаются молекулы воды, они-то и придают застывшему цементу его прочность. То есть «недостатки», возникшие на микроуровне, приводят к изменению свойств материала уже на макроуровне.
«Вода ослабляет тоберморит или дженнит, но укрепляет цемент. Теперь, когда у нас есть молекулярная модель системы, мы можем управлять химическими свойствами материала, варьировать его прочность и влияние на окружающую среду, можем сделать его более устойчивым к давлению и высоким температурам», — говорит один из исследователей Франц-Йозеф Ульм (Franz-Josef Ulm) в пресс-релизе MIT.
Он имеет в виду моделирование на атомистическом уровне, которое собственно и позволило установить истинное строение C-S-H. 260 процессоров пришлось соединить воедино профессору Роланду Пелленку (Roland Pellenq), чтобы провести моделирование образующейся структуры по методу Монте-Карло.
Пелленк поначалу извлёк из базового элемента тоберморита все молекулы воды, затем посмотрел, как при этом перестроилось геометрическое строение минерала. Потом учёный стал добавлять молекулы по одной обратно, каждый раз обсчитывая получающуюся структуру.
На 104 молекуле воды компьютерный гидрат заполучил ту же атомную массу, что и его реальный прототип. Таким образом Пелленк убедился, что перед ним структура базового элемента C-S-H.
В статье, опубликованной в открытом доступе в PNAS, авторы приводят данные рентгеновской дифракции образцов цемента и тоберморита, а также просчитанные для смоделированной структуры гидрата цемента (иллюстрация PNAS).
«Мы надеемся, что наша работа будет первым шагом на пути подробного изучения молекулярной структуры цементных гидратов, что она пригодится другим учёным в их работе», — говорит ещё один участник нынешнего исследования профессор Сидни Ип (Sidney Yip). Он также нескромно сравнивает достижение своей группы с расшифровкой структуры ДНК, которая стала новой ступенькой развития науки и основой многих открытий.
«Цемент так широко используется в строительстве, что в ближайшее время вряд ли от него откажутся насовсем», – считает Ип. Однако общемировое производство цемента определяет около 5% выбросов CO2 в атмосферу.
Новое исследование, возможно, повлияет на работу других учёных в этой области. Это может привести как к снижению выбросов парниковых газов, так и к улучшению свойств самого цемента.
Читайте также о том, как Ульм и его коллеги улучшили такой показатель бетона, как ползучесть (в этом же материале рассказывается о водопроницаемом и «растениепроницаемом» бетоне). А ещё узнайте о биоцементе для позвоночника.
Груминг и экономия — Вячеслав Дубынин
