Исследователи риса Рузбех Шахсавари и Саруш Джалилванд опубликовали исследование, показывающее, что происходит в наномасштабе, когда «структурно сложные» материалы, такие как бетон — случайное нагромождение элементов, а не упорядоченный кристалл — трутся друг о друга. Царапины, которые они оставляют, могут многое сказать об их характеристиках.
Исследователи первыми провели сложные расчеты, которые показывают, как силы атомного уровня влияют на механические свойства сложного материала на основе частиц. Их методы предлагают новые способы точной настройки химического состава таких материалов, чтобы сделать их менее склонными к растрескиванию и более подходящими для конкретных применений.
Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества Applied Materials and Interfaces.
В исследовании использовался силикат-гидрат кальция (C-S-H), также известный как цемент, в качестве модельной системы твердых частиц. Шахсавари хорошо познакомился с C-S-H, участвуя в создании первых моделей этого материала в атомном масштабе.
C-S-H — это клей, связывающий мелкие камни, гравий и песок в бетоне. Хотя до затвердевания он выглядит как паста, он состоит из дискретных наноразмерных частиц. По словам Шахсавари, ван-дер-ваальсовые и кулоновские силы, которые влияют на взаимодействие между C-S-H и более крупными частицами, являются ключом к общей прочности и свойствам разрушения материала. Он решил внимательно изучить те и другие наноразмерные механизмы.
«Классические исследования трения о материалы существуют на протяжении веков», — сказал он. "Известно, что если сделать поверхность шероховатой, трение увеличится. Это распространенный в промышленности метод предотвращения скольжения: неровные поверхности блокируют друг друга.
«Мы обнаружили, что, помимо этих обычных методов механического придания шероховатости, модуляция химического состава поверхности, которая является менее интуитивной, может значительно повлиять на трение и, следовательно, на механические свойства системы твердых частиц."
Шахсавари сказал, что это заблуждение, что большое количество одного элемента — например, кальция в C-S-H — напрямую контролирует механические свойства системы твердых частиц. «Мы обнаружили, что то, что контролирует свойства внутри частиц, может полностью отличаться от того, что контролирует их взаимодействие с поверхностью», — сказал он.
В то время как большее содержание кальция на поверхности улучшит трение и, следовательно, прочность сборки, более низкое содержание кальция улучшит прочность отдельных частиц.
«Это может показаться противоречивым, но это предполагает, что для достижения оптимальных механических свойств системы частиц необходимо разработать новые условия синтеза и обработки, чтобы элементы располагались в нужных местах», — сказал он.
Исследователи также обнаружили, что вклад естественного ван-дер-ваальсова притяжения между молекулами гораздо более значительный, чем кулоновские (электростатические) силы в C-S-H.
По словам Шахсавари, это тоже в первую очередь связано с кальцием.
Чтобы проверить свои теории, Шахсавари и Джалилванд построили компьютерные модели грубого C-S-H и гладкого тоберморита. Они протащили виртуальный кончик первого по верхней части второго, царапая поверхность, чтобы увидеть, с какой силой им придется толкать его атомы, чтобы сместить их.
Их моделирование царапин позволило им расшифровать ключевые силы и задействованные механизмы, а также предсказать внутреннюю трещиностойкость тоберморита, числа, подтвержденные экспериментами других исследователей.
Шахсавари сказал, что анализ на атомном уровне может помочь улучшить широкий спектр некристаллических материалов, включая керамику, песок, порошки, зерна и коллоиды.