作者安德鲁·洛根，麻省理工学院 麻省理工学院CSHub博士后尼古拉斯·查纳特和南希·索利曼拿着他们的两个导电水泥样品
信用:安德鲁·洛根 自从几千年前发明以来，混凝土已经成为文明进步的工具，应用于无数建筑领域——从桥梁到建筑
然而，尽管经历了几个世纪的创新，它的功能仍然主要是结构性的
麻省理工学院混凝土可持续发展中心的研究人员与法国国家科学研究中心(CNRS)合作，致力于改变这种状况
他们的合作承诺通过增加新的功能——即电子传导性——使混凝土更加可持续
电子传导性将允许混凝土用于各种新的应用，从自加热到能量储存
他们的方法依赖于将高导电性纳米碳材料有控制地引入水泥混合物
在《物理评论材料》的一篇论文中，他们验证了这种方法，同时给出了决定材料导电性的参数
南希·索利曼是该论文的主要作者，也是麻省理工学院计算机科学中心的博士后，她认为这项研究有可能为已经流行的建筑材料增加一个全新的维度
“这是导电水泥的一阶模型，”她解释道
“它将带来鼓励扩大这类(多功能)材料所需的(知识)
" 从纳米级到最先进的 在过去的几十年里，纳米碳材料因其独特的性能组合而激增，其中最主要的是导电性
科学家和工程师以前曾提议开发一种材料，如果将这种材料掺入水泥和混凝土中，就能赋予其导电性
在这项新工作中，索利曼希望确保他们选择的纳米碳材料价格合理，能够大规模生产
她和她的同事选择了纳米炭黑——一种廉价的具有优异导电性的碳材料
他们发现他们对电导率的预测得到了证实
“混凝土自然是一种绝缘材料，”索利曼说，“但是当我们加入纳米碳黑颗粒时，它就从绝缘体变成了导电材料
" 索利曼和她的同事们发现，通过在混合物中加入体积仅为4%的纳米炭黑，他们可以达到逾渗阈值，即他们的样本可以携带电流的点
他们注意到这个电流也有一个有趣的结果:它可以产生热量
这是由于众所周知的焦耳效应
“焦耳热(或电阻加热)是由导体中运动的电子和原子之间的相互作用引起的，”该论文的合著者、麻省理工学院计算机科学中心博士后尼古拉斯·查纳特解释道
“电场中加速的电子每次与原子碰撞时都会交换动能，引起晶格中原子的振动，表现为材料中的热量和温度升高
" 在他们的实验中，他们发现即使是很小的电压——低至5伏——也可以将样品的表面温度(大约5厘米3的大小)提高到41摄氏度(大约100华氏度)
虽然标准热水器可能达到相当的温度，但与传统的加热策略相比，考虑如何使用这种材料是很重要的
“这项技术可能是室内地板辐射供暖的理想选择，”查纳特解释说
通常，室内辐射供暖是通过在地板下的管道中循环热水来实现的
但是这个系统的构建和维护是一个挑战
然而，当水泥本身成为加热元件时，加热系统就变得更容易安装，也更可靠
此外，由于纳米颗粒在材料中的良好分散，水泥提供了更均匀的热分布
" 纳米碳水泥在户外也有各种应用
Chanut和Soliman认为，如果在混凝土路面上实施，纳米碳水泥可以减轻耐久性、可持续性和安全问题
这些担忧大多源于使用盐来除冰
“在北美，我们看到很多雪
索利曼指出:“清除道路上的积雪需要使用除冰盐，这会损坏混凝土，污染地下水。”
用于道路加盐的重型卡车也是重排放物，并且运行费用昂贵
通过在路面上实现辐射加热，纳米碳水泥可以用于路面除冰，而不含道路盐，在修复安全和环境问题的同时，有可能节省数百万美元的维修和运营成本
在某些维护特殊路面条件至关重要的应用中，如机场跑道，这种技术可能特别有利
缠结的电线 虽然这种最先进的水泥为一系列问题提供了优雅的解决方案，但实现多功能性带来了各种技术挑战
例如，如果没有一种方法将纳米粒子排列到水泥中的一个功能电路中，即所谓的体积布线，它们的导电性就不可能被利用
为了确保理想的体积布线，研究人员研究了一种称为弯曲度的特性
“扭曲是我们从扩散领域类比引入的一个概念，”该论文的领导者和合著者弗朗茨-约瑟夫·乌尔姆解释道，他是麻省理工学院土木与环境工程系的教授，也是加州理工学院的教师顾问
“过去，它描述了离子是如何流动的
在这项工作中，我们用它来描述电子流通过体积线
" 乌尔姆用一辆汽车在城市两点之间行驶的例子来解释曲折
当乌鸦飞的时候，这两点之间的距离可能是两英里，由于街道的迂回，实际行驶的距离可能更大
电子穿过水泥也是如此
他们在样本中必须走的路径总是比样本本身的长度长
路径越长，弯曲度越大
达到最佳弯曲度意味着平衡碳的数量和分散
如果碳过于分散，体积布线将变得稀疏，导致高度弯曲
同样，如果样品中没有足够的碳，弯曲度将会过大，无法形成具有高导电性的直接、高效的布线
即使添加大量的碳也会适得其反
在某一点上，电导率将停止提高，理论上，如果大规模实施，只会增加成本
由于这些错综复杂，他们试图优化他们的混合
“我们发现，通过微调碳的体积，我们可以达到2的弯曲度值，”乌尔姆说
“这意味着电子走的路径只有样品长度的两倍
" 量化这些属性对乌尔姆和他的同事至关重要
他们最近论文的目标不仅仅是证明多功能水泥是可能的，而且它也是大规模生产的可行方法
乌尔姆解释说:“关键是，为了让工程师学会做事，他们需要一个量化模型。”
“在将材料混合在一起之前，您希望能够预期某些可重复的特性
这正是本文概述的内容；它把由边界条件——[外来的]环境条件——造成的东西和真正由物质内部的基本机制造成的东西分开
" 索利曼、钱努特和乌尔姆希望通过分离和量化这些机制，为工程师提供他们在更大范围内实施多功能水泥所需的准确信息
他们规划的道路是充满希望的——而且，由于他们的努力，不应该被证明是太曲折的
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
