厉害了——水泥颗粒形态居然可以按图设计

材料牛注；最近，莱斯大学的科研人员发现了一种可以“设计”水泥颗粒形态的方法，将原本无定形的水泥颗粒变成有序的规整形状，可以大大减少水泥中的孔隙并提高强度、减少用量，非常有利于环境保护。更贴心的是，科学家们将这些不同形态颗粒的制备方法记录成册，以后想用什么颗粒形态的水泥——按图“设计”就行。

莱斯大学的科研人员们研发出具有特殊形态的水泥颗粒并进行了机械性能测试。这些特殊的形态可能成为自下而上法制备更强、更耐用水泥的基础。

将无序结构变成有序结构是获得更强、更环保水泥的关键。莱斯大学的科学家们通过研究水泥动力学性质，得到了一种可以“设计”水泥微观半晶质颗粒的方法。该方法将无序团簇结构变为规整的立方体、球体和其他形态，通过这些形态的组合，材料孔隙率明显减少同时更加耐用。

莱斯大学的Shahsavari告诉我们，提高了结构强度意味着需要的混凝土就更少了——越少当然越好。全世界大概一年会生产超过30亿吨混凝土，生产这些混凝土所释放的温室气体相当于释放至大气的二氧化碳总量的10%。

通过大量实验，Shahsavari和他的同事们探明了水化碳酸钙水泥（C-S-H，粘合砖所用的水泥）结晶化的纳米尺度反应——或者说是形态变化。这是第一次有人合成出各种形态的C-S-H颗粒，包括立方体、矩形棱柱、枝晶、核壳以及棱面体，科研人员们还将这些形态统合成一个形态表可供那些生产商和设计者们查用。

“我们称它为可控水泥，”Shahsavari说。“这项工作的重大进展在于这是第一次通过水泥的动力学性质获得我们所想要的形态。我们告诉人们怎样去控制C-S-H水泥基本单元的形态和尺寸，这样就可以自组装成具有远超传统无定形C-S-H密度的微观结构。”

Shahsavari说他的想法类似于金属晶体和高分子的自组装。“这是一个热门领域，很多科研人员都在研究自组装相关领域。但是如果想把它应用到水泥和混凝土领域，如何控制它们进行自下而上自组装就变成了非常困难的障碍。而我们的发现使这种高级应用成为可能。”

“这些‘种子’颗粒首先会在反应中自动形成，并且它们会控制材料剩下的部分围绕它们而成”，他说。“这就是它们的美丽之处。这是原位形成，就像种子成长一样，无需再给这些‘种子’颗粒任何添加物——那种在工业中通常用来提高结晶化和生长的添加物。”

之前也有可以在C-S-H中得到有序结晶的技术，但那需要高温或高压，延长反应时间并使用有机前驱物，但这些东西效率不高并且对环境也并不友好。莱斯大学科研人员们通过往C-S-H中加入少量的正/负离子表面活性剂和硅酸钙并将其置于二氧化碳中超声震动，获得了形态规整的立方体和长方形。“种子”晶体会在25分钟内形成于表面胶团周围。研究发现，减少硅酸钙会产生更多的球形颗粒和更小的立方体颗粒，而增加硅酸钙会形成球体集群和互相咬合的立方体。

一旦方解石的“种子”形成，它就会引发周围的分子自组装形成立方体、球体和其他宏观有序的形态。它们在混凝土中比无定形颗粒结合的更紧密。

Shahsavari认为前驱物的浓度、反应的温度和时间都会影响到最终颗粒的产量、尺寸和形态。

莱斯大学的材料学家们已经为这些混凝土中所用的水泥化物做出了形态索引图。它可以让想要得到更强、更耐用和更环保混凝土的设计者与生产商们按图“设计”出想要的颗粒形态。

这项工作是混凝土研究领域中非常重要的突破。该项进展基于Shahsavari所参与的MIT科研团队在2009年解密水泥分子“DNA”的发现。Shahsavari告诉我们指导现在还没有控制C-S-H的方法，我们所使用的水泥仍然是带有大量气孔的无定形胶质，这毫无疑问会减小强度与耐用性。

混凝土是Shahsavari的研究重点，他同时研究其宏观制造和内部的纳米级性质。因为混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料以及很明显的温室气体释放源，他认为开发更“绿色”的混凝土非常重要。

这项研究要求科研人员设法测试这些微观颗粒的强度。研究人员们通过一个纳米级钻石硬度压头在单个颗粒的平边上压入测试。在一个颗粒测试完后，移动至旁边颗粒继续测试，然后汇总在数百个各种形态颗粒上测试的实验数据。“很多团队做了水泥块的机械性能测试，但是没有人做过针对单个C-S-H颗粒的测试，也没有人测试过不同形态对颗粒的机械性能的影响。”Shahsavari说。

Shahsavari认为这项工作的创意对于其他领域应用很有启发意义，包括骨组织工程、药物传输和耐火材料，并且可能也对其他诸如陶瓷和胶体等领域有影响。

原文链接：Scientists develop 'programmable' cement particles to attain enhanced properties.

文献链接：Morphogenesis of Cement Hydrate.

本文由材料人编辑部杨超提供素材，李禹辰编译，点我加入材料人编辑部。

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