I ricercatori migliorano il cemento con nanoparticelle di gusci di gamberetti - Barlettaweb.com

2022-08-05 07:09:55 By : Mr. Bruce Liu

Somayeh Nassiri misura le proprietà delle formule di cemento che contengono nanoparticelle di chitina. Credito: WSU

Mettere le nanoparticelle dai gusci di gamberetti nella pasta di cemento ha reso il materiale significativamente più forte, un’innovazione che potrebbe portare a una riduzione degli sprechi di frutti di mare e a una riduzione delle emissioni di carbonio dalla produzione di calcestruzzo.

Segnalazione sul giornale Cemento e Compositi Calcestruzzo, un team di ricercatori della Washington State University e del Pacific Northwest National Laboratory ha creato nanocristalli e nanofibre di chitina, il secondo biopolimero più abbondante in natura, dai gusci di gamberetti di scarto. Quando questi minuscoli frammenti di chitina, che sono circa 1.000 volte più piccoli di un capello umano, sono stati aggiunti alla pasta di cemento, il materiale risultante era fino al 40% più forte. Anche il tempo stabilito per il cemento, o il tempo necessario per indurire, è stato ritardato di oltre un’ora, una proprietà desiderata per il trasporto a lunga distanza e il lavoro in calcestruzzo per la stagione calda.

“L’industria del calcestruzzo è sotto pressione per ridurre le sue emissioni di carbonio dalla produzione di cemento”, ha affermato Somayeh Nassiri, professore associato presso l’Università della California, Davis, che ha guidato la ricerca presso la WSU. “Sviluppando questi nuovi additivi che migliorano la resistenza del calcestruzzo, possiamo aiutare a ridurre la quantità di cemento necessaria e ridurre le emissioni di carbonio del calcestruzzo”.

Il calcestruzzo è utilizzato in tutto il mondo in infrastrutture critiche come edifici, ponti e strade. È il materiale più usato sulla terra dopo l’acqua. La produzione di cemento è ad alta intensità di carbonio e richiede l’uso di combustibili fossili per raggiungere le elevate temperature richieste (1500°C). Il calcare utilizzato nella sua produzione passa anche attraverso la decomposizione che produce anidride carbonica aggiuntiva. La produzione di cemento comprendeva circa il 15% del consumo di energia industriale e circa il 5% delle emissioni totali di gas serra nel mondo. L’elevato consumo del materiale è anche in parte determinato dalla sfida della durabilità: il calcestruzzo si screpola facilmente e deve essere riparato o sostituito spesso, afferma Nassiri.

Nel frattempo, i rifiuti di pesce sono un problema significativo per l’industria della pesca, che genera tra i 6 milioni e gli 8 milioni di libbre di rifiuti ogni anno in tutto il mondo. La maggior parte di questi rifiuti viene scaricata in mare, afferma Hui Li, assistente professore di ricerca presso il Composite Materials and Engineering Center della WSU e autore corrispondente dell’articolo.

“Nel mondo attuale, affrontando il cambiamento climatico attraverso l’economia circolare, vogliamo utilizzare il più possibile i materiali di scarto. I rifiuti di una persona sono il tesoro di un’altra persona”, ha affermato.

I ricercatori hanno lavorato per migliorare il calcestruzzo con un biopolimero comune simile, la cellulosa. A volte gli additivi di cellulosa aiuterebbero il calcestruzzo, a volte no. I ricercatori erano perplessi sul perché.

Nel loro lavoro, il team della WSU ha studiato i materiali della chitina su scala nanometrica. I gusci di granchio, gamberetti e aragoste sono costituiti da circa il 20-30% di chitina e gran parte del resto è costituito da carbonato di calcio, un altro utile additivo per il cemento. Rispetto alla cellulosa, la chitina su scala molecolare possiede un ulteriore insieme di atomi, un gruppo funzionale, che consente ai ricercatori di controllare la carica sulla superficie delle molecole e, di conseguenza, come si comportano nella sospensione di cemento.

“Essere in grado di controllare la carica sulla superficie è un elemento importante per controllare come funzionano nel cemento. Potremmo farlo semplicemente sulla chitina a causa del gruppo carbossilico che si trova nel polimero della chitina”, ha affermato il professor Michael Wolcott della WSU Regents , un autore corrispondente sulla carta.

Il successo nel rafforzare la pasta di cemento è dovuto al modo in cui le particelle si sospendono all’interno della sospensione di cemento e al modo in cui interagiscono con le particelle di cemento.

“Le nanoparticelle di chitina respingono le singole particelle di cemento in modo tale da modificare le proprietà di idratazione della particella di cemento all’interno del sistema”, ha affermato.

Aggiungendo al cemento i nanocristalli di chitina lavorati, sono stati in grado di migliorarne e mirarne le proprietà, inclusa la consistenza, il tempo di presa, la resistenza e la durata. Hanno visto un aumento del 40% della resistenza nel modo in cui il calcestruzzo può piegarsi e un miglioramento del 12% nella capacità di comprimerlo.

“Questi sono numeri molto significativi”, ha detto Wolcott. “Se puoi ridurre la quantità che usi e ottenere la stessa funzione meccanica o strutturale e raddoppiarne la durata, allora sei in grado di ridurre significativamente le emissioni di carbonio dell’ambiente costruito”.

I ricercatori ora sperano di aumentare il lavoro per iniziare a produrre l’additivo su larga scala. La ricerca deve anche continuare a raggiungere lo stesso livello di miglioramento visto alla scala della pasta di cemento alla scala del calcestruzzo.

Oltre ai ricercatori della WSU, il team interdisciplinare comprendeva ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory. Il lavoro è stato finanziato dal programma ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy) del Dipartimento dell’Energia, che sostiene progetti di tecnologia energetica innovativi e non convenzionali che potrebbero portare a tecnologie dirompenti.