Zementrevolution dank Perlmutt-Struktur
Forschende der Princeton University haben einen revolutionären Zementverbundstoff entwickelt, der durch seine aussergewöhnliche Rissfestigkeit und Dehnbarkeit überzeugt. Inspiriert vom natürlichen Perlmutt, könnte dieser Verbundstoff die Bauindustrie grundlegend verändern.
Im Gegensatz zu Glas, Holz und Stahl ist Zement von Natur aus spröde und ohne Verstärkungen wenig flexibel. Dies schränkt seine Einsatzmöglichkeiten in tragenden Strukturen erheblich ein. Zwar gibt es bereits Methoden zur Verbesserung der Bruchzähigkeit und Duktilität von Zement, etwa durch Polymer-, Glas- oder Metallverstärkungen, doch diese erhöhen die Energieabsorption und Bruchfestigkeit nur geringfügig.
Ein Verbundwerkstoff nach Vorbild von Perlmutt
Das Team der Princeton University fand heraus, dass abwechselnde Schichten von dünnem Polymer und gemustertem Zementstein die Duktilität erhöhen. Der entwickelte Verbundstoff imitiert die Struktur von Perlmutt, einer Substanz, die in bestimmten Muscheln vorkommt und für ihre Stärke und Flexibilität bekannt ist. Perlmutt besteht zu über 95 % aus Calciumcarbonat und zu bis zu 5 % aus organischem Material. Diese einzigartige Kombination verleiht Perlmutt seine bemerkenswerte mechanische Widerstandsfähigkeit.
Mechanismen der Perlmutt-Struktur
Perlmutt ist ein Biomineral aus Aragonit-Plättchen, die durch ein weiches Biopolymer verbunden sind. Diese 3D-Ziegelmörtelstruktur ermöglicht es den Plättchen, zu gleiten und sich zu verformen, wodurch Energie absorbiert und die Zähigkeit erhöht wird. Diese Synergie zwischen den harten und weichen Komponenten ist entscheidend für die bemerkenswerten mechanischen Eigenschaften von Perlmutt.
Anwendung der Prinzipien auf Zementverbundstoffe
Die Forschenden der Princeton University nutzten herkömmliche Baumaterialien wie Portlandzement und Polymere, um einen ähnlichen Verbundstoff zu entwickeln. Sie schichteten Zementleimplatten mit Polyvinylsiloxan, einem flexiblen Polymer, um mehrschichtige Balken herzustellen. Diese wurden in einem gekerbten Dreipunkt-Biegetest auf ihre Rissfestigkeit getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Verbundwerkstoffe eine 17-mal höhere Bruchzähigkeit und eine um 1791 Prozent höhere Duktilität im Vergleich zu festem Zement erreichten.
Zukunftsperspektiven und Optimierung
Die Forschenden planen, verschiedene weiche Materialien für widerstandsfähigere Infrastrukturen zu erkunden und die Rillenformen für eine bessere Defektintegration zu optimieren. Zudem sollen Produktionsmethoden durch integrierte Laminierungs-Laser-Verfahren oder additive Fertigung weiterentwickelt werden. Diese Fortschritte könnten die Bauindustrie revolutionieren und den Einsatz von Zement in tragenden Strukturen erheblich erweitern.
Der neu entwickelte Zementverbundstoff, inspiriert von der Struktur des Perlmutts, bietet eine vielversprechende Lösung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Zement. Mit seiner aussergewöhnlichen Rissfestigkeit und Dehnbarkeit stellt dieser Verbundstoff eine bedeutende Innovation dar, die das Potenzial hat, die Bauindustrie nachhaltig zu verändern.