Группа ученых из Университета штата Вашингтон (WSU) и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США создала нанокристаллы и нановолокна хитина, второго по распространенности биополимера в природе, из отходов панцирей креветок. Когда эти микроскопические частицы были добавлены к цементному раствору, полученные стройматериалы стали на 40% прочнее. Кроме того, это дополнительно продлило время дальнейшего затвердевания бетонного раствора более чем на час, что является положительным свойством для транспортировки на дальние расстояния.
Об этом сообщает интернет-издание Futurity. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Бетон используется во всем мире в строительстве жизненно важной инфраструктуры. По сути, это наиболее используемый материал на планете после воды. Производство цемента для бетонных растворов серьезно вредит экологии и требует использования ископаемого топлива для достижения нужных высоких температур. На производство цемента во всем мире приходится около 15% промышленного потребления энергии и около 5% всех парниковых выбросов. Высокий расход бетона нередко вызван проблемой прочности – бетонные конструкции растрескиваются, и их нужно ремонтировать или заменять.
«Между тем, отходы морепродуктов, которых во всем мире ежегодно производится по нескольку миллионов тонн, представляют собой серьезную проблему для рыбной промышленности. Большая часть этих отходов сбрасывается в море», – отмечает Хуэй Ли, доцент-исследователь Центра композитных материалов и инженерии WSU и один из ведущих авторов нового исследования.
В ходе своей работе специалисты WSU исследовали природные источники хитина, вплоть до наномасштабов. Они выявили, что панцири крабов, креветок и омаров состоят примерно на 20-30% из хитина, а большая часть остатка приходится на карбонат кальция – еще одну полезную добавку для цемента.
По сравнению с целлюлозой, которую те же исследователи без особого успеха пытались ранее применить для компонентов, укрепляющих бетон, хитин на молекулярном уровне имеет дополнительный набор атомов (так называемую функциональную группу), что позволяет контролировать заряд на поверхности молекул и, следовательно, в нужном русле управлять их поведением в цементном растворе.
Ученые отметили, что наночастицы хитина отталкивают отдельные частицы цемента настолько, что изменяют общие гидратационные свойства цемента и улучшают характеристики бетонного раствора. В частности, добавление обработанных нанокристаллов хитина в цемент способно улучшить его консистенцию, время схватывания, а главное – прочность бетона (на 40% при усилии на разрыв и на 12% при сжатии).
«Это очень значительные цифры. Они дают возможность уменьшить количество используемого материала и получить ту же механическую или структурную функцию, а также удвоить срок службы», – отметил профессор Майкл Уолкотт, один из руководителей исследования.