Saradnja MIT-a i CNRS-a uspjela je proizvesti cement koji provodi struju i stvara toplotu.

Od svog izuma prije nekoliko milenija, beton je postao vrlo bitan za napredak civilizacije, a koristio se u brojnim građevinskim projektima, od mostova do građevina. Ipak, unatoč stoljećima izuma, njegova funkcija ostala je primarno strukturna.

Višegodišnji trud MIT istraživača za održivost betona, u saradnji s Francuskim Nacionalnim centrom za Naučno Istraživanje (CNRS) imali su u cilju da to promijene. Njihova saradnja obećala je da će učiniti beton održivijim, dodavanjem novih funkcionalnosti, tj. elektronsku provodljivosti. Elektronska provodljivost omogućila bi korištenje betona u razne nove svrhe, od samo-zagrijavanja do skladištenja energije.

Njihov pristup se oslanja na postepeno i kontrolisano uvođenje provodljivih nanokarbonskih materijala u mješavinu cementa. U radu u Physical Review Materials, oni potvrđuju ovaj pristup dok predstavljaju parametre koji diktiraju provodljivost materijala.

Od nanoskale do umjetnosti

U proteklih nekoliko decenija, nanokarbonski materijali su se proširili zbog svoje unikatne kombinacije svojstava, od kojih prednost ima provodljivost. Naučnici i inženjeri prethodno su predložili razvoj materijala koji mogu koji mogu dati provodljivost cementu i betonu ako su ugrađeni u njih.

Za svoj novi rad, autorka Soliman htjela je osigurati da su nanokarbonski materijali koji odaberu priuštivi dovoljno da se mogu proizvoditi na većoj skali. Ona i kolege složili su se da to budu crne čestice nanokarbona, jeftini materijal s odličnom provodljivošću.

Beton je prirodno izolacijski materijal

„Beton je prirodno izolacijski materijal,“ kaže Soliman „Ali kad smo dodali čestice nanokarbona, nije više bio isulator već provodljivi materijal.“

Ubacujući samo 4% volumena u mješavinu, Soliman i njene kolege otkrile su da mogu dostići prag perkolacije, tačku kada bi njihovi primjerci mogli provoditi struju.

Primijetili su i da ova struja može stvarati toplotu, što se još naziva i Juleov zakon.

„Jouleovo grijanje uzrokovano je interakcijom između kretajućih elektrona i atoma u provodniku“, objašnjava Nicolas Chanut, su-autor. „Ubrzani elektroni na strujnom polju razmjenjuju kinetičku energiju svaki put kad se sudare s atomom, izazivajući vibraciju atoma u rešetki, što se manifestuje kao toplota i povećanje temperature u materijalu.“

U svojim eksperimentima otkrili su da i manja voltaža (čak do 5 vati) može povećati temperaturu površine primjeraka (otprilike 5 cm³ u veličini) do 41 stepen celzijusa. Dok standardni vodeni grijač može dostići uporedive temperature, bitno je uzeti u obzir kako se ovaj materijal treba implementirati kad se poredi s konvencionalnim strategijama zagrijavanja.

„Ova tehnologija mogla bi biti idealna za unutrašnje zračno grijanje podova,“ objašnjava Chanut. „Unutrašnje se zračno podno grijanje obično dostiže cirkulacijom zagrijane vode u cijevima koje se nalaze ispod poda. Ali ovaj sistem je komplikovan za izgraditi i održavati. Kada sam cement postane element zagrijavanja, sistem zagrijavanja postaje jednostavniji za postaviti, ali i pouzdaniji. Pored toga, cement nudi homogeniju distribuciju toplote zbog vrlo dobrog svojstva raspršivanja nanočestica u materijalu.“

Nanokarbonski cement mogao bi se koristiti i za razne vanjske radove

Nanokarbonski cement mogao bi se koristiti i za razne vanjske radove. Chanut i Soliman vjeruju da kad bi se koristio za prilaze i puteve, nanokarbonski cement bi mogao spriječiti brigu o izdržljivosti, održivosti i sigurnosti. Većina tih briga proizilazi iz korištenja soli radi odleđivanja. „Da bi se snježni putevi odledili, koriste se soli za odleđivanje, a te soli mogu oštetiti beton i kontaminirati podzemne vode“, kaže Soliman. Kamioni kojima se taj led raspršuje po putevima također su vrlo skupi.

Omogućavanjem radijacijskog grijanja u trotoarima i putevima, nanokarbonski cement bi se mogao koristiti za odmrzavanje bez soli na cestama, potencijalno štedeći milione u troškovima popravke i izvršavanja, a istovremeno rješava probleme sigurnosti i okoliša.