ثورة في صناعة البناء والتشييد.. مادة أسمنتية جديدة مقاومة للتشقق مستوحاة من الطبيعة
ليونة 19 مرة وصلابة الكسر 17 مرة مع الحفاظ على نفس القوة تقريبًا مثل عارضة المعجون الأسمنتي الصلب.
قام فريق بحث بقيادة رضا مويني، الأستاذ المساعد في الهندسة المدنية والبيئية بجامعة برينستون، بتطوير مادة أسمنتية مركبة جديدة أكثر مقاومة للتشقق ومرونة بشكل ملحوظ من الأسمنت القياسي .
النتائج، التي نشرت في 10 يونيو في مجلة المواد الوظيفية المتقدمة، يمكن أن تحدث ثورة في صناعة البناء والتشييد وتحسين سلامة ومتانة مجموعة واسعة من المواد الخزفية الهشة.
يوفر مخطط الطبيعة وصفة سرية
ن
جاء الإلهام لهذا المركب الأسمنتي المبتكر من مصدر غير متوقع، المادة التي يتكون منها المحار وأصداف أذن البحر، المعروفة باسم الصدف أو عرق اللؤلؤ .
وأوضح شاشانك جوبتا، وهو طالب دراسات عليا في مختبر مويني بجامعة برينستون ، أنه على المستوى المجهري، يتكون عرق اللؤلؤ من أقراص سداسية من معدن صلب يسمى أراغونيت، ملتصقة ببعضها البعض بواسطة بوليمر حيوي ناعم.
وقال جوبتا: “إن هذا التآزر بين المكونات الصلبة واللينة أمر بالغ الأهمية للخصائص الميكانيكية الرائعة للصدف”.
تساهم أقراص الأراجونيت بشكل كبير في قوة عرق اللؤلؤ ، بينما يضيف البوليمر الحيوي المرونة ومقاومة التشقق.
عند تعرضها للضغط، تنزلق أقراص الأراغونيت، مما يسمح للصدف بتبديد الطاقة والحفاظ على سلامتها الهيكلية، مما يجعلها قوية ومرنة.
هندسة مادة أسمنتية أكثر صرامة
مستوحاة من خصائص الصدف الفريدة، شرع فريق برينستون في إنشاء مركب أسمنتي يحاكي هيكله باستخدام مواد البناء التقليدية مثل معجون الأسمنت البورتلاندي وكمية محدودة من البوليمر.
قام الباحثون بإنشاء عوارض صغيرة متعددة الطبقات عن طريق تناوب صفائح عجينة الأسمنت مع طبقات رقيقة من بوليمر عالي التمدد يسمى بولي فينيل سيلوكسا، ثم قاموا بإخضاع هذه العوارض لاختبار ثني ثلاثي النقاط لتقييم مقاومتها للتشقق وصلابة الكسر.
أنتج الفريق ثلاثة أنواع من العوارض:
- واحدة مع طبقات متناوبة من صفائح عجينة الأسمنت والبوليمر الرقيق
– وأخرى ذات أخاديد سداسية محفورة في صفائح العجينة الأسمنتية باستخدام الليزر
– والثالث يحتوي على أقراص سداسية منفصلة تمامًا ومتصلة بطبقة البوليمر، على غرار كيفية وضع الأراغونيت على طبقة البوليمر الحيوي في الصدف
– نتائج ملحوظة: مقاومة أكثر للتشققات بمقدار 17 مرة
كشفت التجارب أن العوارض ذات الأقراص السداسية المنفصلة تمامًا، والتي تشبه إلى حد كبير بنية الصدف، أظهرت التحسينات الأكثر أهمية.
أظهرت هذه العوارض ليونة 19 مرة وصلابة الكسر 17 مرة مع الحفاظ على نفس القوة تقريبًا مثل عارضة المعجون الأسمنتي الصلب.
وقال مويني: “إن نهجنا المستوحى من العلوم الحيوية لا يقتصر على مجرد محاكاة البنية المجهرية للطبيعة، بل التعلم من المبادئ الأساسية واستخدامها لتوجيه هندسة المواد التي يصنعها الإنسان”، “لقد قمنا عمدًا بهندسة العيوب في المواد الهشة كوسيلة لجعلها أقوى من خلال التصميم.”
عصر جديد في مواد البناء الأسمنتية
في حين أن النتائج تعتمد على ظروف المختبر وهناك حاجة إلى أبحاث إضافية لتطوير التقنيات المستخدمة في هذا المجال، فإن الآثار المحتملة على صناعة البناء والتشييد واسعة النطاق.
وقال جوبتا: “إذا تمكنا من هندسة الخرسانة لمقاومة انتشار الشقوق، فيمكننا أن نجعلها أكثر صلابة وأمانًا وأكثر متانة”.
ويعمل الباحثون على تحديد ما إذا كانت صلابة الكسر والليونة في الهياكل تنطبق على مواد خزفية أخرى غير المعجون الأسمنتي، مثل الخرسانة.
وقال جوبتا «إننا لا نخدش سوى السطح؛ وقال معيني: “سيكون هناك العديد من إمكانيات التصميم لاستكشاف وهندسة خصائص المواد الصلبة واللينة التأسيسية، والواجهات، والجوانب الهندسية التي تلعب دورًا في تأثيرات الحجم الأساسية في مواد البناء”.
أسمنت مقاوم للتشققات مستوحى من الطبيعة
باختصار، يفتح البحث الذي أجراه مهندسو برينستون عالمًا من الإمكانيات لإنشاء مواد بناء أقوى وأكثر أمانًا ومتانة .
من خلال استلهام التصميم المعقد للصدف الموجود في أصداف المحار وأذن البحر، قام الفريق بتطوير مركب أسمنتي يعمل على تحسين مقاومة التشقق والمرونة بشكل كبير.
وبينما يواصل الباحثون استكشاف التطبيقات المحتملة لهذا النهج المستوحى من المواد الحيوية، فإن صناعة البناء والتشييد ستستفيد من حقبة جديدة من المواد المرنة والمستدامة.
يكمن مستقبل البناء في أيدي العقول المبتكرة التي تجرؤ على التطلع إلى الطبيعة بحثًا عن حلول، وقد اتخذ فريق برينستون خطوة مهمة إلى الأمام في فك شفرة المرونة الهندسية.
