萊斯大學研究人員發(fā)現(xiàn)聚合物(藍色)和水泥(黃色)界面的相互作用，研究結果表明氫鍵的正確混合對于制造用于基礎設施的具有堅固、堅韌和延展性的復合材料至關重要。如圖所示，通過利用計算機進行模擬，研究人員能夠測量硬水泥在模擬珍珠層結構的層狀復合材料中滑過軟聚合物時的粘結強度。圖像:普羅布斯•亨迪/多尺度材料實驗室。
Shahsavari和萊斯研究生Navid Sakhavand通過進行20多次的計算機模擬，最終模擬了聚合物和水泥分子在納米尺度上結合原理，以及促使它們結合的驅動力。這表明氧和氫原子之間的距離是形成連接軟層和硬層的弱氫鍵網(wǎng)絡的關鍵因素。常見的聚丙烯酸( PAA )結合水泥晶體的重疊層效果最好，最佳重疊約為15 nm。
Shahsavari表示:“這些信息對于合成出性能最好的復合材料是非常重要的。利用現(xiàn)代工程方法加工這些材料可以建造新的或者完全替代老化設施，而這將對現(xiàn)在社會產(chǎn)生巨大的變革。Shahsavari 和Sakhavand在Applied Physics Letters雜志上報告了他們的研究結果。
雖然工程師們知道添加聚合物可以防止“侵蝕性”離子侵入水泥孔隙的而產(chǎn)生破壞作用，進而降低水泥的使用性能，但關于該材料在分子水平上的相互作用機理的相關細節(jié)尚未弄清楚。為了解決這一問題，兩位研究人員分別模擬了PAA和聚乙烯醇( PVA )制成的復合材料，其中這兩種材料都是用于改善水泥性能的軟基體材料。
他們發(fā)現(xiàn)，PAA中的兩個氧原子(與PVA中的相反)使其在與托勃莫來石水泥晶體中的氫結合時能夠吸收或者釋放離子。PAA中的氧原子與氫原子的結合方式有八種(PVA中的結合方式有六種)，并且還可以參與聚合物與水泥之間的鹽橋鏈，這使得結合網(wǎng)絡更加復雜。
研究人員通過模擬聚合物的滑動層和水泥的阻力來測試它們的結構，測試結果表明結構越復雜，PAA和水泥之間的鍵隨著材料的應力增加容易斷裂和重新連接。這顯著地增加了復合材料的變形而不斷裂的能力——韌性，這個研究結果讓研究人員確定了水泥晶體之間的最佳重疊參數(shù)。"
Shahsavari說:“眾所周知氫鍵的結合力是很弱的，但這個結果使我們對氫鍵有了新的認識，當能夠滿足最佳重疊的氫鍵數(shù)目相互發(fā)生作用的時候，它們在復合材料中提供了足夠的連通性，從而賦予了材料具有高強度和韌性。從實驗的角度講，這可以通過小心調節(jié)和控制具有合適分子量的聚合物的加入，同時控制水泥礦物的形成來實現(xiàn)。最近同事的一篇文章為這一理論提供了充足的實驗依據(jù)。"
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