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微调材料的化学

发布时间:2018-05-16  点击数:[22]

利用先进的计算方法,显示原子级别的力如何影响复杂粒子基材料的机械性能,来自莱斯大学的研究人员揭示了改善混凝土材料化学性质的新方法,使其不易发生开裂等问题适合特定的应用。 /

根据赖斯大学对颗粒材料的最新研究,即使构建大的,每个原子都很重要。

水稻研究人员Rouzbeh Shahsavari和Saroosh Jalilvand已经发表了一项研究,显示当“结构复杂”的材料像混凝土 - 随机混杂的元素而不是有序的水晶 - 相互摩擦时,纳米级会发生什么。他们留下的划痕可以说明他们的特点。

研究人员率先进行复杂的计算,显示原子级别的力如何影响复杂粒子基材料的力学性能。他们的技术提出了新的方法来微调这种材料的化学性质,使它们不易开裂并更适合特定的应用。

这项研究发表在美国化学学会杂志“应用材料与接口”上。

该研究使用硅酸钙 - 水合物(C-S-H),又名水泥,作为模型颗粒体系。 Shahsavari在参与构建材料的第一个原子级模型时变得非常熟悉C-S-H。

材料科学家Rouzbeh Shahsavari赖斯大学实验室的这段视频通过模拟显示,光滑基底中的原子是如何被硅酸钙 - 水合物尖端的力所取代的。研究人员的计算有助于预测材料的断裂韧性,并展示如何通过微调化学键来提高材料的韧性。 /

C-S-H是粘合混凝土中小石块,砂砾和沙子的粘合剂。尽管它在硬化之前看起来像糊状物,但它由离散的纳米级颗粒组成。 Shahsavari说,影响C-S-H和较大颗粒之间相互作用的范德华力和库仑力是材料整体强度和断裂性能的关键。他决定仔细研究这些纳米机制和其他纳米机制。

“经典的材料摩擦研究已经存在了几个世纪了,”他说。 “众所周知,如果你的表面粗糙,摩擦力会增加。这是工业中防止滑动的常用技术:粗糙表面彼此阻塞。

“我们发现,除了那些常见的机械粗糙化技术之外,表面化学的调节不那么直观,可以显着影响颗粒系统的摩擦并因此影响机械性能。”

Shahsavari表示,这是一种误解,认为单一元素的总量 - 例如C-S-H中的钙 - 直接控制颗粒系统的机械性能。 “我们发现控制颗粒内部特性的东西可能与控制其表面相互作用的特性完全不同,”他说。尽管表面更多的钙含量会改善摩擦并因此改善组件的强度,但较低的钙含量将有益于单个颗粒的强度。

“这可能看起来是矛盾的,但它表明为了实现粒子系统的最佳机械性能,必须设计新的合成和加工条件以将元件放置在正确的位置,”他说。

研究人员还发现,分子间自然范德华引力的贡献远比C-S-H中的库仑(静电)力更重要。 Shahsavari说,那也主要是由于钙。

为了测试他们的理论,Shahsavari和Jalilvand建立了粗糙C-S-H和光滑托贝莫来石的计算机模型。他们将前者的一个虚拟尖端拖过后者的顶端,搔抓表面,看看他们将如何推动原子取代它们。他们的划伤模拟使他们能够解释所涉及的关键力量和力学,以及预测托贝莫石固有的断裂韧性,这些数字由其他人的实验证实。

Shahsavari说,原子级分析可能有助于改善广泛的非结晶材料,包括陶瓷,沙子,粉末,颗粒和胶体。

Jalilvand是Rice的Shahsavari小组的前研究生,现在是博士。都柏林大学学生。 Shahsavari是土木和环境工程,材料科学和纳米工程的助理教授,以及赖斯纳米科学与技术研究所Richard E. Smalley研究所的成员。

国家科学基金会(NSF)支持这项研究。超级计算机资源由美国国立卫生研究院提供,与思科,Qlogic和Adaptive Computing合作的IBM共享大学研究奖以及由美国肯尼迪信息技术研究所管理的NSF资助的数据分析和可视化网络基础设施。

出版物:Soroosh Jalilvand和Rouzbeh Shahsavari,“复杂颗粒系统中纳米级接触,摩擦和划痕的分子机械起源”,ACS Appl。母校。接口,2014; DOI:10.1021 / am506411h

来源:莱斯大学Mike Williams

图片:Shahsavari集团提供

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