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Il nano segreto del cemento
Il calcestruzzo è il materiale artificiale più utilizzato e la produzione di cemento, l'ingrediente principale del calcestruzzo, rappresenta dal 5 al 10 percento di tutte le emissioni antropiche di anidride carbonica, uno dei principali gas serra coinvolti nel riscaldamento globale. Ma ora, i ricercatori del MIT che studiano la nanostruttura del calcestruzzo hanno fatto una scoperta che potrebbe portare a una riduzione delle emissioni di anidride carbonica durante la produzione del cemento.
Sondare un materiale a base di cemento con un ago diamantato ultrasottile produce un'impronta dell'ordine dei nanometri. I ricercatori del MIT hanno utilizzato questa tecnica per studiare la nanostruttura del cemento, che regola le proprietà del calcestruzzo realizzato con il cemento. Attraverso l'ingegneria del cemento su scala nanometrica, sperano di ridurre le emissioni di anidride carbonica dalla produzione di cemento.
I ricercatori hanno scoperto che gli elementi costitutivi del calcestruzzo sono particelle di appena pochi nanometri e che queste nanoparticelle sono disposte in due modi distinti. Hanno anche scoperto che la disposizione di imballaggio delle nanoparticelle guida le proprietà del calcestruzzo, come resistenza, rigidità e durata. Il minerale [che produce la nanoparticella] non è la chiave per ottenere quelle proprietà... piuttosto, è l'imballaggio [delle particelle], dice Franz-Josef Ulm , un professore di ingegneria civile e ambientale al MIT che ha guidato il lavoro. Quindi non possiamo sostituire il minerale originale con qualcos'altro? L'obiettivo è formulare un cemento sostitutivo che mantenga la disposizione di imballaggio delle nanoparticelle ma che possa essere prodotto con minori emissioni di anidride carbonica.
La produzione del cemento dà luogo a emissioni di anidride carbonica perché implica la combustione di combustibile per riscaldare una miscela in polvere di calcare e argilla a temperature di 1.500 ºC. Quando il cemento viene mescolato con l'acqua, si forma una pasta; sabbia e ghiaia vengono aggiunti alla pasta per rendere concreto. Ma gli scienziati non comprendono appieno la struttura del cemento, afferma Ulm.
Il mistero più grande è la struttura e le proprietà del mattone elementare della pasta cemento-acqua, silicato di calcio idrato, che funge da collante che tiene insieme tutti gli ingredienti del calcestruzzo. Tutte le proprietà macroscopiche del calcestruzzo in qualche modo sono legate a come è questa fase a livello nanometrico, dice Jeffrey Thomas , professore di ingegneria civile e ambientale alla Northwestern University.
Se questa struttura fosse compresa meglio, i ricercatori potrebbero quindi ingegnerizzare il cemento su scala nanometrica per adattare le proprietà del calcestruzzo, afferma Hamlin Jennings , professore di ingegneria civile e ambientale e di scienza dei materiali alla Northwestern. Poiché i ricercatori non conoscono il comportamento del cemento su scala nanometrica, fino ad ora, i progressi nella ricerca sul calcestruzzo e sul cemento sono stati in gran parte incostanti, afferma Jennings.
Jennings aveva predetto che l'idrato di silicato di calcio è una particella con una dimensione di circa cinque nanometri. Ulm e il suo ricercatore post-dottorato Georgios Constantinides hanno confermato questa struttura utilizzando una tecnica chiamata nanoindentazione, che prevede il sondaggio di paste cementizie con un ago di diamante ultrasottile.
I ricercatori hanno scoperto che le nanoparticelle di calcio-silicato-idrato erano disposte in modo simile alle arance confezionate casualmente in una scatola o come la disposizione piramidale delle arance in un negozio di alimentari. Con queste due disposizioni, le particelle riempiono, rispettivamente, il 63 e il 74% del volume della pasta di cemento, il resto essendo acqua e aria. I ricercatori hanno scoperto che i volumi relativi che le nanoparticelle occupano nella pasta controllano le proprietà meccaniche della pasta di cemento.
Ulm e Constantinides stanno ora pianificando di cambiare i componenti nel cemento - un'idea è quella di sostituire il magnesio con il calcio - in modo che ci voglia meno calore per produrre cemento, ma le nanoparticelle risultanti hanno ancora la stessa disposizione di imballaggio delle nanoparticelle di calcio-silicato-idrato.
Hanno anche in programma di studiare la nanoparticella finché non la capiranno fino al livello atomico. Questo darà loro ancora più libertà per il cemento nanoingegneristico, dice Ulm. Potremmo aggiungere sostanze chimiche per migliorare le prestazioni [del calcestruzzo] con forse meno cemento, o lo stesso cemento che dà una maggiore resistenza.
Con due miliardi di tonnellate di cemento prodotte nel mondo ogni anno e la domanda di calcestruzzo in aumento con la crescita in corso in Cina e India, Ulm afferma che è imperativo ridurre le emissioni di anidride carbonica legate al calcestruzzo come parte dello sforzo per combattere il globale riscaldamento.