行業變革性技術！納米晶纖維素注入，增強混凝土
普渡大學的研究人員準備測試他們是否能夠通過注入微觀納米晶的混凝土來建造更牢固的橋梁。圖片由普渡大學提供
普渡大學的研究人員們正在研究混凝土是否能通過注入納米晶木材來提高其強度，并且正由實驗室理論逐步走向應用，今年春天，將在加州以此技術建造一座橋梁。
研究人員一直在研究怎樣以紙張、工業紙漿、生物能源以及農業為基礎來產生的纖維素納米晶，并尋找最佳的混合物來配比使其強度最大，使用這些最常見的材料來生產高強度混凝土，經濟效益極高。
普渡大學材料工程學教授杰弗里·楊博德說：“在我看來，只要能稍稍突破前人所及就是一個巨大的進步，你不能僅僅說這是一個實驗室的靈感，它具有重大的現實意義。
這種增強混凝土還有其它的一些優點，比如用這種混凝土在保持同樣的強度的條件下，制成的東西更薄、更輕，同時還能減少大氣中的二氧化碳排放量。水泥廠估計占全球二氧化碳排放量的8%，這是氣候變化的主要原因之一。
納米晶木材的轉變催化劑是一種纖維素納米晶，長約100納米，寬5納米。宏觀角度來看，人類頭發大約都有100000納米寬，這種纖維素納米晶實在太小，無法用普通顯微鏡觀察，僅用電子顯微鏡就能看到。值得一提的是，纖維素是世界上最常見的聚合物，它可以從木制品、植物、細菌和藻類中獲取，非常易得。
研究人員指出，纖維素納米晶通過化學反應使混凝土更加堅固，從而增加水泥顆粒的水合作用，使混凝土更堅固。水化程度越高混凝土強度越高。因此，水越多強度越高。然而問題是，水會使木質疏松。所以纖維素納米晶通過較少的水分促進水化，使混凝土更堅固。
萊爾斯土木工程學院教授巴勃羅·扎瓦蒂里(Pablo Zavattieri)說，纖維素納米晶為水提供了一條通道，可以讓水流向需要的地方。并不是所有的水泥顆粒在混凝土混合時都會被水化，這會影響混凝土的強度和耐久性。
木材納米晶的透射電子顯微鏡圖，圖由普渡生命科學顯微鏡中心提供
Zavattieri說：“纖維素納米晶的好處是它為水進入粒子創造了一條軌道。”
麥爾斯·洛厄爾(Miles Lowell)和瑪格麗特·瓦特·愛德華茲(Margaret Watt Edwards)曾擔任俄勒岡州立大學工程學方面的杰出教授，他曾是普渡大學的教授。他說，纖維素納米晶能提高混凝土的效率，因為制造同樣堅固的東西所需的質量較少。這樣就可以更可持續、更高效，另一個好處是注入纖維素的混凝土凝結得更快，這意味著在使用各種形式建造橋梁或進行石油鉆探時，等待混凝土治愈的時間更短。因為每一天，沒有抽油的船員都是賠錢的一天。”
研究人員指出，使用纖維素納米晶的成本可能會通過減少水泥用量來抵消，但確切的成本還沒有確定。纖維素納米晶的使用范圍將是一個因素。但即使所有生產的混凝土中只有一小部分使用纖維素納米晶，也會產生很大的影響，因為混凝土的使用是如此普遍。
加州的混凝土和橋梁準備工作是俄勒岡州普渡州立大學p3Nano和其他人的合作項目。p3Nano是一個公私合作伙伴關系，旨在支持纖維素納米材料的商業化。p3Nano一直積極參與全面的試驗，并且是俄勒岡州立大學展示纖維素納米晶在橋梁和橋梁中的全面應用的項目的發起者。在加利福尼亞，將使用纖維素注入的混凝土的確切橋梁尚未確。
這張照片展示了添加了環氧樹脂水泥樣品，用于顯微鏡分析
普渡大學的研究人員在十年前開始研究纖維素，這位來自美國森林服務林產品實驗室的研究員，當時在普渡工作的楊博德說：“最初的挑戰是確定在哪里使用水溶性纖維素納米晶，在挖洞和準備混凝土的時候，我想到了將其用于混凝土的想法，這正是研究的目的所在。研究人員很快就發現，纖維素納米晶能使混凝土變得更堅固，但他們不知道具體原因。
“我走到Jason Weiss的辦公室給他看了數據，他說這些數據不應該起作用，因為纖維素納米晶太小了。那時我們意識到我們有了一些突破，因為如果基于理論或其他理論的事物正常工作的東西不應該工作，那么就是你發現一些重要的東西， 這就是一切的開始。”
這項研究是由國家科學基金會部分資助的。韋斯說，NSF的工作引導了漿料的測試，幫助研究人員了解到，纖維素納米晶的作用不同于傳統纖維，而是在改變其微觀結構。
與普渡研究基金會技術商業化辦公室簽訂了生產許可協議的納米綠色生物加工公司首席執行官布萊恩·昆克爾(Blaine Kunkel)表示，他們公司對纖維素納米晶的潛力感到興奮并認為這是一種變革性技術。
文章摘錄于phys.org
化學慧納米材料系列產品
