مواد و ساخت پیشرفته

در مقاله‌ای که به تازگی در ژورنال ACS Applied Materials منتشر شده است محققان نشان دادند با جایگزینی ماسه با گرافن می‌توان بتن سبک‌تر و قوی‌تری ایجاد نمود.

وقتی به منابعی فکر می‌کنید که در حال اتمام هستیم، شن و ماسه ممکن است در فهرست شما قرار نگیرد اما به لطف تقاضای بالای ما برای بتن، اکنون در این فهرست حضور دارند. ولی دانشمندان نیز بیکار ننشسته‌اند و محققان دانشگاه رایس نشان داده‌اند که جایگزینی گرافن نه تنها می‌تواند باعث صرفه جویی در شن و ماسه شود بلکه بتن را سبک‌تر، محکم‌تر و سخت‌تر می‌کند.

گرافن علی‌رغم اینکه ورقه‌ای کربنی است که فقط یک اتم ضخامت دارد اما به قوی بودن در حد فوق‌العاده شهرت دارد. به این ترتیب جای تعجب نیست که قبلا نیز این مواد شگفت انگیز را با بتن مخلوط نموده‌اند تا آن را قوی‌تر و بادوام‌تر کند. اما این موارد فقط شامل اضافه کردن کمی گرافن به دستور پخت بتن بوده است ولی در مطالعه جدید محققان تصمیم گرفتند تا به طور کامل ماسه را جایگزین کند!

بتن از سه ماده اصلی تشکیل شده است: آب، سنگدانه‌ای مانند ماسه و سیمان تا همه مخلوط را به هم بچسبانند. ماسه بزرگ‌ترین جزء از نظر حجم است و با توجه به اشتهای سیری‌ناپذیر بشر مدرن برای بتن، استخراج شن و ماسه در حال افزایش است. این فرآیند نه تنها مخرب است بلکه خطر تمام شدن منابع را نیز در پی دارد.

این تحقیق در آزمایشگاه جیمز تور شیمیدان دانشگاه رایس انجام شده است که تیم او سال‌ها با استفاده از تکنیکی به نام گرمایش با ژول فلاش، گرافن را تولید کرده است. اصولا یک مادۀ پایه‌ای غنی از کربن به سرعت با نیروی الکتریسیته فوق‌گرم می‌شود که آن را به تکه‌های گرافن تبدیل می‌کند. در این مورد ماده پایه‌ای کک متالورژیکی بود که یک منبع سوختی است که از زغال سنگ ایجاد می‌شود.

پل آدوینکولا، نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید آزمایش‌های اولیه که در آن کک متالورژیکی به گرافن تبدیل شد منجر به تولید ماده‌ای شد که از نظر اندازه شبیه به ماسه بود. ما تصمیم گرفتیم استفاده از گرافن مشتق شده از کک متالورژیکی را به عنوان جایگزینی کامل برای شن و ماسه در بتن بررسی کنیم و یافته‌های ما نشان می‌دهد که این گرافن واقعاً خوب عمل می‌نماید.

صرفه جویی در شن و ماسه نیز تنها مزیت آن نبود. بتن حاصل 25 درصد سبک‌تر از بتن ساخته شده با سنگدانه معمولی بود و 32 درصد چقرمگی، 33 درصد در حداکثر کرنش و 21 درصد در مقاومت فشاری افزایش را نشان داد. در سمت دیگر 11 درصد کاهش در مدول یانگ آن وجود داشت، که معیاری از مقاومت یک ماده در برابر تغییر شکل توسط کشش است. هر چند که تیم می‌گوید گرافن در حال حاضر بسیار گران‌تر از آن است که این روش را از نظر تجاری اقتصادی کند ولی حداقل نشان می‌دهد که جایگزین‌هایی وجود دارد که می‌توان دنبال کرد.

منبع