科学家研究出能够导电和发热的水泥

麻省理工学院和法国国家科学研究中心之间的合作产生了一种能够导电和发热的水泥。自从几千年前发明以来，混凝土已经成为推动文明发展的工具，在无数的建筑应用中找到了用途。然而，尽管有几个世纪的创新，其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(CSHub)的研究人员与法国国家科学研究中心(CNRS)合作，进行了多年的努力，旨在改变这种状况。

他们的合作有望通过增加新的功能--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，从自我加热到能量储存等。

他们的方法依赖于将高导电性的纳米碳材料有控制地引入水泥混合物中。在《物理评论材料》的一篇论文中，他们验证了这种方法，同时提出了决定材料导电性的参数。

论文的主要作者、麻省理工学院CSHub的博士后Nancy Soliman认为，这项研究有可能为已经是一种流行的建筑材料增加一个全新的层面。

“这是一个导电水泥的一阶模型，”她解释说。“而且它将带来鼓励扩大这类(多功能)材料的规模所需的(知识)。”

从纳米级到最先进

在过去的几十年里，纳米碳材料由于其独特的性能组合而激增，其中主要是导电性。科学家和工程师们以前曾提议开发能够在水泥和混凝土中加入导电性的材料。

对于这项新的工作，Soliman希望确保他们所选择的纳米碳材料是可以负担得起的，可以大规模地生产。她和她的同事们最终选择了纳米碳黑--一种具有优良导电性的廉价碳材料。他们发现，他们对导电性的预测得到了证实。

"混凝土自然是一种绝缘材料，"Soliman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。"

通过在他们的混合物中加入体积仅为4%的纳米碳黑，Soliman和她的同事发现他们可以达到渗流阈值，即他们的样品可以携带电流的点。他们注意到，这种电流也有一个有趣的结果。它可以产生热量。这是由于所谓的焦耳效应造成的。

“焦耳加热(或电阻加热)是由导体中移动的电子和原子之间的相互作用引起的，”该论文的共同作者、麻省理工学院CSHub的博士后Nicolas Chanut解释说。"电场中的加速电子每次与原子碰撞时都会交换动能，诱发晶格中原子的振动，这表现为热和材料中温度的上升。"

在他们的实验中，他们发现，即使是一个小电压--低至5伏--也能使他们的样品(大约5立方厘米大小)的表面温度上升到41摄氏度。虽然标准的热水器可能达到相当的温度，但与传统的加热策略相比，重要的是考虑这种材料将如何实施。

“这项技术可能是室内地板辐射加热的理想选择，”Chanut解释说。“通常情况下，室内辐射加热是通过在地板下的管道中循环加热水来完成的。但这种系统在建造和维护方面可能具有挑战性。然而，当水泥本身成为一个加热元件时，加热系统的安装变得更简单，更可靠。此外，由于纳米颗粒在材料中的分散性非常好，水泥提供了更均匀的热量分布。”

纳米碳水泥在户外也可以有各种应用。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。这些问题大多来自于使用盐来除冰。

“在北美，我们看到大量的雪。为了清除道路上的积雪，需要使用除冰盐，这可能会损坏混凝土，并污染地下水，”Soliman指出。用于在道路上撒盐的重型卡车也是重型排放物，而且运行费用昂贵。

通过实现路面的辐射加热，纳米碳水泥可以用来为路面除冰，而不需要道路盐，这可能会节省数百万美元的维修和运营成本，同时弥补安全和环境问题。在某些应用中，保持特殊的路面条件是最重要的，如机场跑道，这项技术可能被证明是特别有利的。

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，但实现多功能带来了各种技术挑战。例如，如果没有办法将纳米粒子排列成一个有效的电路--称为体积布线--在水泥内，它们的导电性将不可能被利用。为了确保理想的体积布线，研究人员调查了一种被称为迂曲度的特性。

“迂曲度是我们通过类比从扩散领域引入的一个概念，”该论文的领导者和共同作者、麻省理工学院土木与环境工程系的教授以及CSHub的教师顾问Franz-Josef Ulm解释说。"在过去，它描述了离子如何流动。在这项工作中，我们用它来描述电子在体积线中的流动。"

Ulm用一辆汽车在一个城市的两点之间行驶的例子来解释迂曲度。虽然这两点之间的距离，就像乌鸦飞过一样可能是两英里，但由于街道的迂曲度，实际行驶的距离可能更大。在水泥中的电子也是如此。它们在样品中必须采取的路径总是比样品本身的长度要长。该路径的长短程度就是曲率。

实现最佳的曲率意味着平衡碳的数量和分散性。如果碳的分散程度太高，体积布线将变得稀疏，导致高迂曲度。同样，如果样品中没有足够的碳，迂曲度将过大，无法形成具有高导电性的直接、有效的布线。

即使添加大量的碳，也会产生反作用。在某一点上，电导率将不再提高，而且从理论上讲，如果大规模实施，只会增加成本。由于这些错综复杂的问题，他们试图优化他们的混合物。

“我们发现，通过对碳的体积进行微调，我们可以达到2的迂曲度值，”Ulm说。"这意味着电子所走的路径只是样品长度的两倍。"

量化这种特性对Ulm和他的同事来说至关重要。他们最近的论文的目标不仅仅是证明多功能水泥是可能的，而且证明它在大规模生产中也是可行的。

"关键的一点是，为了让工程师拿起东西，他们需要一个量化的模型，"Ulm解释说。"在你将材料混合在一起之前，你希望能够期待某些可重复的特性。这正是本文所概述的;它将边界条件--(外在的)环境条件--所导致的东西与真正由材料内的基本机制所导致的东西分开。"

通过隔离和量化这些机制，Soliman、Chanut和Ulm希望为工程师提供他们在更大范围内实施多功能水泥所需要的东西。他们所规划的道路是一条很有前途的道路--而且，由于他们的工作，应该不会证明太过曲折。

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