微调材料化学

钙硅酸钙 - 水合物（AKA水泥）尖端悬停在水稻大学科学家的计算机模拟中的平滑小泥土表面上方。研究人员研究了在施加摩擦时颗粒系统中的原子水平力如何相互作用。它们的计算显示了通过控制材料的化学结合性能来改善特定应用的这些材料。

使用复杂的计算，显示原子水平力如何影响复杂的粒子材料的机械性能，米饭大学的研究人员揭示了改善混凝土等材料化学的新方法，使其不易裂开，更适合特定应用。 。

据稻米大学的粒子材料的新研究，即使在建造大量的情况下，也是一项atom。

水稻研究员Rouzbeh Shahsavari和Saroosh Jalilvand发表了一项关于纳米级在混凝土的“结构复杂”材料时纳米级的研究表明的一项研究，而是随机混合元素而不是有序的水晶 - 互相摩擦。他们留下的划痕可以说很多关于他们的特征。

研究人员是首次运行复杂的计算，表明原子水平力如何影响复杂颗粒基材料的机械性能。它们的技术表明了微调这些材料的化学方法的新方法，以使它们不太容易发生裂缝，更适合特定应用。

该研究出现在美国化学学会期刊应用材料和界面中。

该研究使用钙硅酸钙 - 水合物（C-S-H），AKA水泥作为模型颗粒系统。Shahsavari对C-S-H熟悉，同时参与了材料的第一个原子级模型的构建。

这段视频由赖斯大学实验室的材料科学家Rouzbeh Shahsavari通过仿真显示光滑基板中的原子是由钙硅酸钙 - 水合物尖端的力移位的原子。研究人员的计算有助于预测材料的断裂韧性，并展示如何通过微调化学粘合来改善它们。

C-S-H是粘合在混凝土中的小岩石，砾石和沙子的胶水。虽然在硬化前看起来像糊状物，但它由离散的纳米级粒子组成。Shahsavari表示，影响C-S-H与较大粒子之间的相互作用的范德瓦尔和库仑力是材料总体强度和骨折性能的关键。他决定仔细看看那些和其他纳米级机制。

“对材料摩擦的古典研究已经存在了几个世纪，”他说。“众所周知，如果你制造粗糙，摩擦将增加。这是行业的常见技术，以防止滑动：粗糙的表面彼此阻挡。

“我们发现的是，除了那些共同的机械粗糙化技术之外，表面化学的调节，不太直观，可以显着影响摩擦，从而显着地影响颗粒系统的机械性能。”

Shahsavari表示，它是一种误解，即单个元素的大量 - 例如，C-S-H中的钙 - 直接控制颗粒系统的机械性能。“我们发现，粒子内的性质可以完全不同于控制它们的表面相互作用，”他说。虽然表面的更多钙含量会改善摩擦，因此组装的强度，较低的钙含量会有利于缺乏颗粒的强度。

“这似乎是矛盾的，但它表明，为了实现粒子系统的最佳机械性能，必须设计新的合成和加工条件，以将元素放在正确的地方，”他说。

研究人员还发现，分子之间的天然van der Waals吸引力的贡献远远超过C-S-H中的库仑（静电）力。 Shahsavari说，这也主要是由于钙。

为了测试他们的理论，Shahsavari和Jalilvand建造了粗糙C-S-H的计算机型号，并铺平了平滑的Tobermorite。他们拖动了前者的虚拟尖端，刮伤了表面，看看它们有多难以推动其原子来取代它们。他们的划痕模拟使他们能够解码所涉及的关键力量和力学以及预测Tobermorite的固有骨折韧性，由其他人的实验引导。

Shahsavari表示原子级分析可以帮助改善广泛的非晶体材料，包括陶瓷，砂，粉末，谷物和胶体。

Jalilvand是米饭Shahsavari群体的前研究生，现在是博士学位。都柏林大学学院的学生。Shahsavari是一名土木和环境工程助理教授，材料科学和纳米工程，以及米饭纳米级科学技术研究所的理查德E. Smalley研究所成员。

国家科学基金会（NSF）支持了该研究。超级计算机资源由国家卫生研究院和IBM与思科，QLogic和Adaptive Computing合作的IBM共享大学研究奖，以及赖斯克恩肯尼迪信息技术研究所管理的NSF资助的数据分析和可视化网络基础设施。

出版物：Soroosh Jalilvand和Rouzbeh Shahsavari，“复合颗粒系统中的纳米级接触，摩擦和划痕的分子机械机械起源”，ACS Appl。母校界面，2014; DOI：10.1021 / am506411h.

图像：由Shahsavari集团提供礼貌