萊斯大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)聚合物(藍(lán)色)和水泥(黃色)界面的相互作用，研究結(jié)果表明氫鍵的正確混合對于制造用于基礎(chǔ)設(shè)施的具有堅固、堅韌和延展性的復(fù)合材料至關(guān)重要。如圖所示，通過利用計算機(jī)進(jìn)行模擬，研究人員能夠測量硬水泥在模擬珍珠層結(jié)構(gòu)的層狀復(fù)合材料中滑過軟聚合物時的粘結(jié)強(qiáng)度。圖像:普羅布斯?亨迪/多尺度材料實驗室。

Shahsavari和萊斯研究生Navid Sakhavand通過進(jìn)行20多次的計算機(jī)模擬，最終模擬了聚合物和水泥分子在納米尺度上結(jié)合原理，以及促使它們結(jié)合的驅(qū)動力。這表明氧和氫原子之間的距離是形成連接軟層和硬層的弱氫鍵網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。常見的聚丙烯酸( PAA )結(jié)合水泥晶體的重疊層效果最好，最佳重疊約為15 nm。

Shahsavari表示:“這些信息對于合成出性能最好的復(fù)合材料是非常重要的。利用現(xiàn)代工程方法加工這些材料可以建造新的或者完全替代老化設(shè)施，而這將對現(xiàn)在社會產(chǎn)生巨大的變革。Shahsavari 和Sakhavand在Applied Physics Letters雜志上報告了他們的研究結(jié)果。

雖然工程師們知道添加聚合物可以防止“侵蝕性”離子侵入水泥孔隙的而產(chǎn)生破壞作用，進(jìn)而降低水泥的使用性能，但關(guān)于該材料在分子水平上的相互作用機(jī)理的相關(guān)細(xì)節(jié)尚未弄清楚。為了解決這一問題，兩位研究人員分別模擬了PAA和聚乙烯醇( PVA )制成的復(fù)合材料，其中這兩種材料都是用于改善水泥性能的軟基體材料。

他們發(fā)現(xiàn)，PAA中的兩個氧原子(與PVA中的相反)使其在與托勃莫來石水泥晶體中的氫結(jié)合時能夠吸收或者釋放離子。PAA中的氧原子與氫原子的結(jié)合方式有八種(PVA中的結(jié)合方式有六種)，并且還可以參與聚合物與水泥之間的鹽橋鏈，這使得結(jié)合網(wǎng)絡(luò)更加復(fù)雜。

研究人員通過模擬聚合物的滑動層和水泥的阻力來測試它們的結(jié)構(gòu)，測試結(jié)果表明結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，PAA和水泥之間的鍵隨著材料的應(yīng)力增加容易斷裂和重新連接。這顯著地增加了復(fù)合材料的變形而不斷裂的能力——韌性，這個研究結(jié)果讓研究人員確定了水泥晶體之間的最佳重疊參數(shù)。”

Shahsavari說:“眾所周知氫鍵的結(jié)合力是很弱的，但這個結(jié)果使我們對氫鍵有了新的認(rèn)識，當(dāng)能夠滿足最佳重疊的氫鍵數(shù)目相互發(fā)生作用的時候，它們在復(fù)合材料中提供了足夠的連通性，從而賦予了材料具有高強(qiáng)度和韌性。從實驗的角度講，這可以通過小心調(diào)節(jié)和控制具有合適分子量的聚合物的加入，同時控制水泥礦物的形成來實現(xiàn)。最近同事的一篇文章為這一理論提供了充足的實驗依據(jù)。”

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