Từ những phát hiện trên, nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Oral Buyukozturk, một giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường MIT (CEE), đề xuất cách tiếp cận "từ dưới lên" để sản xuất xi măng nhão.
"Những vật liệu có cấu trúc đặc biệt, với thành phần đơn giản sắp xếp theo cấu hình hình học phức tạp mà rất đẹp", Buyukozturk nói. "Chúng tôi muốn thấy những dạng cơ chế siêu nhỏ nào tồn tại trong nó cung cấp đặc tính vượt trội như vậy, và làm thế nào chúng ta có thể áp dụng một phương pháp khối tương tự như vậy đối với bê tông".
"Nếu chúng ta có thể thay thế một phần hoặc hoàn toàn xi măng bằng những loại vật liệu có sẵn trong tự nhiên, chúng ta có thể đáp ứng các mục tiêu phát triển bền vững", Buyukozturk nói.
Đồng tác giả của nghiên cứu bao gồm các sinh viên tốt nghiệp Steven Palkovic, Dieter Brommer, nhà khoa học nghiên cứu Kunal Kupwade-Patil, trợ lý giáo sư CEE Admir Masic, và trưởng khoa CEE Markus Buehler, giáo sư Kỹ thuật McAfee.
"Sự hợp nhất lý thuyết, tính toán, tổng hợp mới, và các phương pháp mô tả đặc điểm đã kích hoạt một sự chuyển đổi mô hình có thể sẽ làm thay đổi cách chúng ta sản xuất vật liệu phổ biến này mãi mãi", Buehler nói. "Nó có thể làm ra những con đường, cây cầu, công trình bền vững hơn, giảm trọng khối carbon và năng lượng, và thậm chí cho phép chúng ta tách riêng carbon dioxide trong quá trình sản xuất. Sử dụng công nghệ nano trong bê tông là một ví dụ rõ ràng [về cách thức] tăng cường khả năng của công nghệ nano để giải quyết những thách thức kỹ thuật lớn".
Từ các phân tử đến những cây cầu
Bê tông hiện nay là một tập hợp ngẫu nhiên các loại đá nghiền và sỏi, liên kết lại bằng xi măng nhão. Độ chắc chắn và độ bền của bê tông phụ thuộc một phần vào cấu trúc bên trong và cấu hình lỗ. Ví dụ, vật liệu càng xốp càng dễ bị nứt. Tuy nhiên, hiện tại không có kỹ thuật nào để kiểm soát chính xác cụ thể cấu trúc bên trong và tính chất chung của bê tông.
"Tất cả chủ yếu là phỏng đoán", Buyukozturk nói. "Chúng tôi muốn thay đổi điều này và bắt đầu kiểm soát các vật liệu ở quy mô trung bình (mesoscale)".
Theo Buyukozturk miêu tả, "mesoscale" đại diện cho kết nối giữa các cấu trúc quy mô siêu nhỏ và tính chất vĩ mô. Ví dụ, bố cục siêu nhỏ của xi măng ảnh hưởng như thế nào đến độ vững mạnh tổng thể và độ bền của một tòa nhà cao tầng hay một cây cầu dài? Hiểu được kết nối này sẽ giúp các kỹ sư xác định các tính năng ở nhiều quy mô chiều dài khác nhau để cải thiện hiệu suất tổng thể của bê tông.
"Một mặt chúng tôi đang làm việc với các phân tử, và mặt khác xây dựng một cấu trúc theo chiều dài km", Buyukozturk nói. "Câu hỏi là làm thế nào để chúng tôi liên kết các thông tin đã được phát triển ở quy mô rất nhỏ, với các thông tin ở quy mô lớn?".
Xây dựng từ căn bản lên
Để bắt đầu hiểu mối quan hệ này, ông và đồng nghiệp chú ý vào các vật liệu sinh học như xương, bọt biển sâu, và xà cừ (lớp vỏ bên trong của động vật thân mềm), tất cả đều đã được nghiên cứu rộng rãi về các tính chất cơ học và hiển vi của họ. Họ xem xét các tài liệu khoa học về thông tin của mỗi chất liệu sinh học, so sánh cấu trúc và cách xử lý, ở các quy mô nano, vi sinh, và vĩ mô, với xi măng nhão.
Họ tìm hiểu các kết nối giữa cấu trúc của vật liệu và tính chất cơ học của nó. Ví dụ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cấu trúc các lớp silica giống hành tây của bọt biển sâu có cơ chế ngăn ngừa các vết nứt. Xà cừ có một kết cấu "gạch-và-vữa" gồm các khoáng chất tạo ra một liên kết mạnh mẽ giữa các lớp khoáng, làm cho vật liệu cực kỳ cứng.
"Trong vấn đề này, có một loạt các đặc tính đa quy mô và các kỹ thuật mô hình tính toán được thành lập để nghiên cứu sự phức tạp của vật liệu sinh học và phỏng sinh học, có thể dễ dàng đưa vào xi măng", Masic nói.
Áp dụng các thông tin mà họ tìm hiểu được từ nghiên cứu vật liệu sinh học, cũng như kiến thức mà họ thu thập được trên các công cụ làm xi măng nhão hiện có, nhóm nghiên cứu đã phát triển một khung sinh học chung, hoặc phương pháp cho các kỹ sư thiết kế xi măng, "từ cơ bản lên".
Khung cơ bản là một tập hợp các hướng dẫn mà các kỹ sư có thể làm theo, để xác định phụ gia hoặc các thành phần liên quan nhất định sẽ ảnh hưởng đến độ vững chắc và độ bền tổng thể của xi măng như thế nào. Ví dụ, trong một nghiên cứu liên quan, Buyukozturk đang nghiên cứu tro núi lửa làm phụ gia hoặc để thay thế xi măng. Để xem xét liệu tro núi lửa sẽ cải thiện tính chất xi măng nhão hay không, các kỹ sư làm theo khung cơ bản của nhóm, đầu tiên sẽ sử dụng các kỹ thuật thực nghiệm hiện hành như cộng hưởng từ tính hạt nhân, quét kính hiển vi điện tử, và nhiễu xạ X-ray để xác định cấu hình rắn và lỗ của tro núi lửa theo thời gian.
Sau đó các nhà nghiên cứu đưa các phương pháp này vào mô hình mô phỏng quá trình tiến hóa lâu dài của bê tông, để xác định mối quan hệ quy mô lớn giữa các thuộc tính của tro núi lửa và sự đóng góp của vật liệu này cho độ vững chắc và độ bền của một cây cầu bê tông tro. Những mô phỏng này sau đó có thể được xác nhận với các thí nghiệm nén và đo độ cứng nano tiêu chuẩn, để kiểm tra các mẫu thực tế của bê tông tro núi lửa.
Cuối cùng, các nhà nghiên cứu hy vọng khung cơ bản sẽ giúp các kỹ sư xác định các thành phần có cấu trúc và phát triển theo một cách nào đó tương tự như vật liệu sinh học, có thể cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của bê tông.
"Hy vọng rằng điều này sẽ mang đến cho chúng ta công thức cho bê tông bền vững hơn", Buyukozturk nói. "Thông thường, các tòa nhà và cây cầu có một tuổi thọ thiết kế nhất định. Liệu chúng ta có thể kéo dài tuổi thọ thiết kế đó thêm hai hoặc ba lần? Đó là những gì chúng tôi hướng đến. Khung cơ bản của chúng tôi đã đưa tất cả lên giấy rất cụ thể để cho các kỹ sư sử dụng".
