بررسی تاثیر نیروهای مختلف بر ساختار سیمان توسط محقق ایرانی دانشگاه رایس

به گزارش گروه رسانه‌های دیگر آنا از ایسنا، براساس یافته‌های جدید، فارغ از میزان بزرگ بودن یا کوچک بودن تکه‌‌ای از توبرموریت (ماده مورد کاربرد در تولید سیمان و بتن) ساختار آن به نیروهای وارد شده دقیقا به یک نحو واکنش نشان می‌دهد اما فشاردادن آن با یک ابزار نوک تیز، استحکام آن را تغییر می‌دهد.

ساختار بلوری توبرموریت (ماده معدنی کلسیم سیلیکات هیدراته شده یا C-S-H) است که ماده تشکیل‌دهنده سیمان است و سیمان هم پرکاربردترین ماده دنیا به شمار می‌آید که در ساخت بتن نیز به کار می‌رود. گفته می‌شود شکلی از توبرموریت که توسط رومی‌های باستان به کار رفته است، در استحکام افسانه‌ای سازه‌های بتنی زیرآبی آنها نقش کلیدی ایفا کرده است.

به گفته روزبه شهسواری، دانشمند دانشگاه رایس، توبرموریت که دارای لایه‌های ریز است، بسته به چگونگی اعمال شدن نیروهای استاندارد (برشی، فشرده‌سازی و کششی) از ریخت می‌افتد اما میزان این از ریخت افتادگی برای اندازه‌های مختلف نیروها یکسان است.

شهسواری و تیم علمی برای انجام تحقیقات خود، مدل‌های دینامیک مولکولی توبرموریت را در آزمایشگاه ساختند و شبیه‌سازی‌های آنها، سه مکانیسم مولکولی دخیل در ساختار توبرموریت را آشکارسازی کرد که احتمالا مسئول استحکام آن و مواد دیگر لایه‌بندی شده است.

یکی از این مکانیسم‌ها، جابه‌جایی (displacement) است که در آن، اتم‌های تحت فشار توبرموریت در تلاش برای منحرف شدن از حالت تعادل، به طور دسته‌جمعی حرکت می‌کنند. مکانیسم دیگر، پراکندگی (diffusive mechanism) است که در آن اتم‌ها به صورت نابهنجار حرکت می‌کنند. دانشمندان دریافتند توبرموریت انسجام ساختاری خودش را به بهترین نحو و تحت نیروهای برشی، فشرده‌سازی و کششی حفظ می‌کند.

اما مکانیسم سوم دخیل در ساختار توبرموریت برای دانشمندان جالب‌تر بود زیرا به خاطر وجود آن، پیوندهای بین لایه‌های توبرموریت هنگام فشار دادن یک نانوابزار قلم‌ مانند نوک تیز (nanoindenter) به داخل ماده شکل گرفتند. نانوایندنتر، ابزاری است که برای آزمایش سختی حجم‌های بسیار کوچکی از مواد به کار می‌رود.

در تحقیقات انجام شده، وجود فشار بالا در نقطه فروبردن این ابزار به داخل توبرموریت، موجب تحولات فازی موضعی شد که طی آن ساختار بلورین توبرموریت از ریخت افتاد و پیوندهای محکمی بین لایه‌ها شکل گرفت و این پدیده تحت نیروهای استاندارد مشاهده نشده بود. استحکام این پیوند به هر دو میزان نیرو و اندازه نوک نانوابزار قلم مانند بستگی داشت.

شهسواری گفت: فشار مهمی زیر نوک کوچک این ابزار وجود دارد که لایه‌های مجاور توبرموریت را به هم متصل می‌کند. زمانی که نوک ابزار برداشته می‌شود، ساختار توبرموریت به پیکربندی اصلی خود باز نمی‌گردد و این قضیه حائز اهمیت است زیرا این تحول غیرقابل برگشت است.

این مطالعه علاوه بر ارائه درکی بنیادی از مکانیسم‌های کلیدی از ریخت افتادگی، واکنش واقعی مکانیکی سیستم توبرموریت را تحت نیروهای موضعی کوچک آشکار می‌کند.

به گفته شهسواری، چنانچه تغییر دادن اندازه نوک نانوابزار قلم مانند، مکانیک توربرموریت را تغییر دهد و به طور مثال، ماده را محکم‌تر کند، می‌توان از این ویژگی برای طراحی بهتر ساختار توبرموریت در قبال نیروهای موضعی استفاده کرد.