Una collaborazione tra MIT e CNRS ha prodotto un cemento che conduce elettricità e genera calore. Dalla sua invenzione, diversi millenni fa, il calcestruzzo è diventato un elemento fondamentale per il progresso della civiltà, trovando impiego in innumerevoli applicazioni di costruzione, dai ponti agli edifici. Eppure, nonostante secoli di innovazione, la sua funzione è rimasta principalmente strutturale. Uno sforzo pluriennale dei ricercatori del MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), in collaborazione con il Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS), ha mirato a cambiare questa situazione. La loro collaborazione promette di rendere il calcestruzzo più sostenibile aggiungendo nuove funzionalità, vale a dire la conduttività degli elettroni. La conduttività elettronica consentirebbe l'uso del calcestruzzo per una varietà di nuove applicazioni, dall'autoriscaldamento allo stoccaggio di energia. I dottorandi del MIT CSHub Nicolas Chanut e Nancy Soliman detengono due dei loro campioni di cemento conduttivo. Credito immagine: Andrew Logan / MIT Il loro approccio si basa sull'introduzione controllata di materiali nanocarbonici altamente conduttivi nella miscela di cemento. In un articolo su Physical Review Materials, convalidano questo approccio presentando i parametri che determinano la conduttività del materiale. Nancy Soliman, autrice principale dell'articolo e postdoc presso il MIT CSHub, ritiene che questa ricerca abbia il potenziale per aggiungere una dimensione completamente nuova a quello che è già un popolare materiale da costruzione. “Questo è un modello di primo ordine del cemento conduttivo”, spiega. “E porterà [the knowledge] necessario per incoraggiare lo scale-up di questo tipo di [multifunctional] materiali.” Dalla nanoscala allo stato dell'arte Negli ultimi decenni, i materiali nanocarbonici si sono moltiplicati grazie alla loro combinazione unica di proprietà, tra cui la conduttività. Scienziati e ingegneri hanno precedentemente proposto lo sviluppo di materiali in grado di conferire conduttività al cemento e al calcestruzzo se incorporati all'interno. Per questo nuovo lavoro, Soliman voleva garantire che il materiale nanocarbonio selezionato fosse sufficientemente conveniente per essere prodotto su larga scala. Lei ei suoi colleghi hanno optato per il nanocarbon nero, un materiale di carbonio economico con un'eccellente conduttività. Hanno scoperto che le loro previsioni di conduttività erano confermate. “Il calcestruzzo è naturalmente un materiale isolante”, afferma Soliman, “ma quando aggiungiamo particelle nere di nanocarburi, passa dall'essere un isolante a un materiale conduttivo”. Incorporando il nero di nanocarburi a solo un volume del 4% delle loro miscele, Soliman e i suoi colleghi hanno scoperto che potevano raggiungere la soglia di percolazione, il punto in cui i loro campioni potevano trasportare una corrente. Notarono che questa corrente aveva anche un risultato interessante: poteva generare calore. Ciò è dovuto a quello che è noto come effetto Joule. “Il riscaldamento Joule (o riscaldamento resistivo) è causato dalle interazioni tra gli elettroni in movimento e gli atomi nel conduttore, spiega Nicolas Chanut, coautore dell'articolo e postdoc al MIT CSHub. “Gli elettroni accelerati nel campo elettrico scambiano energia cinetica ogni volta che entrano in collisione con un atomo, inducendo la vibrazione degli atomi nel reticolo, che si manifesta come calore e un aumento della temperatura nel materiale”. Nei loro esperimenti, hanno scoperto che anche una piccola tensione – a partire da 5 volt – potrebbe aumentare le temperature superficiali dei loro campioni (circa 5 cm3 di dimensione) fino a 41 gradi Celsius (circa 100 gradi Fahrenheit). Sebbene uno scaldacqua standard possa raggiungere temperature comparabili, è importante considerare come questo materiale verrebbe implementato rispetto alle strategie di riscaldamento convenzionali. “Questa tecnologia potrebbe essere ideale per il riscaldamento a pavimento radiante”, spiega Chanut. “Di solito, il riscaldamento radiante interno viene effettuato facendo circolare l'acqua riscaldata in tubi che scorrono sotto il pavimento. Ma questo sistema può essere difficile da costruire e mantenere. Quando il cemento stesso diventa un elemento riscaldante, tuttavia, il sistema di riscaldamento diventa più semplice da installare e più affidabile. Inoltre, il cemento offre una distribuzione del calore più omogenea grazie all'ottima dispersione delle nanoparticelle nel materiale “. Il cemento nanocarbonico potrebbe avere varie applicazioni anche all'esterno. Chanut e Soliman ritengono che, se implementato su pavimentazioni in calcestruzzo, il cemento nanocarbonato potrebbe mitigare i problemi di durabilità, sostenibilità e sicurezza. Molte di queste preoccupazioni derivano dall'uso del sale per lo sbrinamento. “In Nord America, vediamo molta neve. Per rimuovere questa neve dalle nostre strade è necessario l'uso di sali antigelo, che possono danneggiare il calcestruzzo e contaminare le acque sotterranee ”, osserva Soliman. Anche gli autocarri pesanti utilizzati per salare le strade sono entrambi emettitori pesanti e costosi da gestire. Consentendo il riscaldamento radiante nelle pavimentazioni, il cemento nanocarbonico potrebbe essere utilizzato per sbrinare le pavimentazioni senza sale stradale, risparmiando potenzialmente milioni di dollari in costi di riparazione e operativi, rimediando alla sicurezza e alle preoccupazioni ambientali. In alcune applicazioni in cui il mantenimento di condizioni di pavimentazione eccezionali è fondamentale, come le piste degli aeroporti, questa tecnologia potrebbe rivelarsi particolarmente vantaggiosa. Fili aggrovigliati Sebbene questo cemento all'avanguardia offra soluzioni eleganti a una serie di problemi, il raggiungimento della multifunzionalità ha posto una serie di sfide tecniche. Ad esempio, senza un modo per allineare le nanoparticelle in un circuito funzionante – noto come cablaggio volumetrico – all'interno del cemento, la loro conduttività sarebbe impossibile da sfruttare. Per garantire un cablaggio volumetrico ideale, i ricercatori hanno studiato una proprietà nota come tortuosità. “La tortuosità è un concetto che abbiamo introdotto per analogia dal campo della diffusione”, spiega Franz-Josef Ulm, leader e coautore dell'articolo, professore presso il Dipartimento di ingegneria civile e ambientale del MIT e consulente di facoltà presso CSHub . “In passato, ha descritto come fluiscono gli ioni. In questo lavoro, lo usiamo per descrivere il flusso di elettroni attraverso il filo volumetrico. ” Ulm spiega la tortuosità con l'esempio di un'auto che viaggia tra due punti di una città. Mentre la distanza tra questi due punti in linea d'aria potrebbe essere di due miglia, la distanza effettiva percorsa potrebbe essere maggiore a causa della circolarità delle strade. Lo stesso vale per gli elettroni che viaggiano attraverso il cemento. Il percorso che devono intraprendere all'interno del campione è sempre più lungo della lunghezza del campione stesso. Il grado in cui quel percorso è più lungo è la tortuosità. Raggiungere la tortuosità ottimale significa bilanciare la quantità e la dispersione del carbonio. Se il carbonio è troppo pesantemente disperso, il cablaggio volumetrico diventerà scarso, portando a un'elevata tortuosità. Allo stesso modo, senza abbastanza carbonio nel campione, la tortuosità sarà troppo grande per formare un cablaggio diretto ed efficiente con alta conduttività. Anche l'aggiunta di grandi quantità di carbonio potrebbe rivelarsi controproducente. Ad un certo punto la conducibilità cesserà di migliorare e, in teoria, aumenterebbe i costi solo se implementata su larga scala. Come risultato di queste complessità, hanno cercato di ottimizzare i loro mix. “Abbiamo scoperto che regolando il volume di carbonio possiamo raggiungere un valore di tortuosità di 2”, afferma Ulm. “Ciò significa che il percorso intrapreso dagli elettroni è solo il doppio della lunghezza del campione.” Quantificare tali proprietà era vitale per Ulm e i suoi colleghi. L'obiettivo del loro recente articolo non era solo quello di dimostrare che il cemento multifunzionale era possibile, ma era anche utilizzabile per la produzione di massa. “Il punto chiave è che per consentire a un ingegnere di prendere le cose, ha bisogno di un modello quantitativo”, spiega Ulm. “Prima di mescolare i materiali insieme, vuoi essere in grado di aspettarti determinate proprietà ripetibili. Questo è esattamente ciò che delinea questo documento; separa ciò che è dovuto alle condizioni al contorno – [extraneous] condizioni ambientali – da ciò che è realmente dovuto ai meccanismi fondamentali all'interno del materiale “. Isolando e quantificando questi meccanismi, Soliman, Chanut e Ulm sperano di fornire agli ingegneri esattamente ciò di cui hanno bisogno per implementare il cemento multifunzionale su scala più ampia. Il percorso che hanno tracciato è promettente e, grazie al loro lavoro, non dovrebbe rivelarsi troppo tortuoso. Scritto da Andrew Logan Fonte: Massachusetts Institute of Technology

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