据外媒报道，自从我们开始生产基础设施以来，大自然的力量就一直胜过我们用来建造基础设施的材料。每年冰雪都把主要道路变成碎石，尽管建筑坚固房屋的地基还是有裂缝。除了水泥碎块产生的成吨的废物外，美国每年还要花费约24000美元用于对公路的维修。
为了解决这个问题，工程师通常会通过增加碳的含量来增强材料的功能，但这样做会使材料失去一些机械性能。现在，来自美国西北大学的研究人员通过将纳米颗粒引入普通水泥中以此形成一种更智能、更耐用、功能更强的水泥。
这项研究于2021年6月21日发表在《PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyA》上。
水泥是全球消费最广泛的材料，该材料行业占人类造成的温室气体排放的8%，为此，土木与环境工程教授Ange-ThereseAkono转向纳米增强水泥寻求解决方案。该研究的论文第一作者、麦考密克工程学院助理教授Akono表示，虽然纳米材料减少了水泥复合材料的碳足迹，但到目前为止，很少有人知道它对断裂行为的影响。
Akono说道：“在此之前，人们还不了解纳米颗粒在这一应用中的作用，所以这是一个重大突破。作为一名经过培训的断裂力学专家，我想了解如何改变水泥产量来提高裂缝响应。”
传统的断裂测试是将一束光束投射到一大块材料上，这种测试需要大量的时间和材料且很少能发现新材料。
不过Akono的实验室通过使用一种叫做划痕测试的创新方法在很短的时间内有效地对材料的性能进行了预测。该方法通过对微观水泥钻头表面施加一个增大垂直力的锥形探针来测试裂缝响应。Akono在她的博士工作期间开发了这种新方法，她称这种方法需要更少的材料并加速了新材料的发现。
Akono说道：“我可以同时观察许多不同的材料。我的方法直接应用于微米和纳米尺度，它节省了相当多的时间。然后在此基础上，我们可以了解材料的行为，它们是如何开裂的并最终预测它们的抗断裂能力。”
另外，通过划痕测试形成的预测也允许工程师对材料做出改变从而在更大范围内提高其性能。在论文中，石墨烯纳米片被用于提高普通水泥的抗断裂能力，这种材料在形成智能材料方面迅速得到普及。少量纳米材料的加入还改善了水输运性能，其中包括孔隙结构和水渗透阻力，它们相对降低了76%和78%。
该研究涉及许多领域，包括建筑施工、道路维护、传感器和发电机优化及结构健康监测。
联合国预测，等到2050年，世界人口的2/3将集中在城市。考虑到城市化的趋势，水泥产量预计将会飙升。采用更轻、性能更好的水泥的绿色混凝土将通过延长维护时间和减少浪费来减少整体碳足迹。
另一方面，智能材料使城市能满足不断增长的人口在连通性、能源和多功能方面的需求。包括石墨烯纳米片在内的碳基纳米材料已经被考虑用于结构健康监测的智能水泥传感器的设计中。
Akono表示，她对论文在自己实验室的后续研究及她的研究将影响他人的方式感到兴奋。她已经在研究利用建筑垃圾来形成新的混凝土的提案，另外还考虑通过增加水泥中纳米材料的比例来进一步发展这篇论文。
Akono表示：“我想看看其他资产如了解长期表现。例如，如果你有一个由碳基纳米材料组成的建筑，你怎么能预测10年、20年甚至40年的阻力？”
据悉，Akono将在英国皇家学会10月份的会议上讲究《ACrackingApproachtoInventingToughNewMaterials:FractureStrangerThanFriction》论文发表讲话。讲话将突出介绍过去一个世纪以来断裂力学的重大进展。