Il nuovo Cemento Bio-Based di Princeton a base di ostrica

Un team dell'Università di Princeton ha sviluppato un nuovo tipo di cemento bio-based che mostra un'incrementata resistenza alle crepe e una maggiore duttilità.

Questa innovazione si ispira alla struttura delle conchiglie di ostrica, che forniscono carbonato di calcio sotto forma di aragonite e biopolimeri, migliorando la resistenza alle crepe del cemento risultante del 19% e la sua duttilità del 17% rispetto al comune cemento Portland (OPC)¹.

Il leader del team, Reza Moini, ha spiegato che l'approccio bio-ispirato adottato non mira semplicemente a imitare la microstruttura della natura, ma piuttosto a comprendere i principi sottostanti per informare l'ingegneria dei materiali artificiali.

Un meccanismo chiave che conferisce robustezza al guscio nacreo è lo scorrimento delle tavolette a livello nanometrico.

Concentrandosi su questo meccanismo, il team ha ingegnerizzato la struttura tabulata del cemento in equilibrio con le proprietà del polimero e l'interfaccia tra di essi. In altre parole, hanno intenzionalmente ingegnerizzato difetti nei materiali fragili come modo per renderli più forti per progettazione².

La ricerca, pubblicata il 10 giugno sulla rivista Advanced Functional Materials, descrive come la creazione di strati alternati di pasta di cemento tabulata e polimero sottile possa aumentare significativamente la resistenza alle crepe e la capacità di deformarsi senza rompersi completamente (duttilità).

I ricercatori hanno creato travi multistrato alternando fogli di pasta di cemento con sottili strati di polimero. Queste travi sono state poi sottoposte a un test di flessione a tre punti con intaglio, dove ogni trave è stata testata in flessione per valutare la resistenza alle crepe (o tenacità alla frattura)³.

L'ispirazione per questo materiale innovativo proviene dal nacre, o madreperla, che si trova all'interno di alcune conchiglie. A livello microscopico, il nacre è composto da tavolette esagonali del minerale duro aragonite incollate insieme da un morbido biopolimero.

Le tavolette di aragonite contribuiscono in modo significativo alla forza del nacre, mentre il biopolimero aggiunge flessibilità e resistenza alle crepe. Il meccanismo di indurimento coinvolge lo scorrimento delle tavolette di aragonite sotto stress, che, insieme ad altri meccanismi, consente al nacre di dissipare energia. Questa azione di scorrimento, combinata con la deviazione delle crepe e la deformazione del biopolimero, permette al nacre di sopportare notevoli stress meccanici mantenendo la sua integrità strutturale, rendendolo sia forte che resiliente⁴.

Questo studio rappresenta un passo avanti significativo nel campo dei materiali da costruzione e potrebbe avere un impatto notevole sull'industria del cemento, offrendo un'alternativa più sostenibile e resistente per il futuro.

FONTI
(1) Princeton Engineering - From seashells to cement, nature inspires .... (LINK)

(2) Princeton Engineers Develop New Cement That Is 17x More ... - SciTechDaily. (LINK)

(3) Princeton University team develops bio-based cement with increased .... (LINK)

(4) Investigation of physical, strength, and ductility characteristics of .... (LINK)