Prirodne sile jače su od materijala koje ljudi od pamtivijeka koriste za izgradnju infrastrukture. Led i snijeg uništavaju ceste i mostove, a zgrade se prije urušavaju, ma kako čvrsto bile izgrađene. kako bi se ti procesi zaustavili ili barem usporili, građevinari se sve više koriste pametnim materijalima.

Tako su istraživači sa Sveučilišta Northwestern, uvodeći nanočestice u obični cement, stvorili su pametniji, trajniji i visoko funkcionalni cement, a rezultat njihovog istraživanja objavio je časopis Philosophical Transactions of the Royal Society A.

Nano ojačani cement

Cement je najčešće korišten materijal na svijetu, a njegova proizvodnja kriva je za 8% emisija stakleničkih plinova uzrokovanih ljudskim djelovanjem. Zbog toga se Ange-Therese Akono, vodeća autorica studije i docentica na Tehničkoj školi McCormick, okrenula nano ojačanom cementu. Nanomaterijali, kaže, smanjuju ugljični otisak cementnih kompozita, ali do sada se malo znalo o njihovom utjecaju na lom.

"Uloga nanočestica do sada nije bila shvaćena pa je ovo veliko otkriće", kaže Akono koja je specijalizirala mehaniku loma. Tradicionalno ispitivanje loma, pri kojem se niz svjetlosnih zraka baca na veliki blok materijala, uključuje puno vremena i materijala i rijetko dovodi do otkrića novih materijala.

Testiranje ogrebotina 

Korištenjem inovativne metode testiranja ogrebotina, svojstva materijala mogu se predvidjeti u djeliću vremena. Metoda koju je Akono razvila tijekom doktorata, ispituje odziv loma primjenom konusne sonde s povećanom vertikalnom silom na površinu mikroskopskih komadića cementa. Ova metoda zahtijeva manje materijala i ubrzava postupak. Dapače, to znači da se istodobno može proučavati više različitih materijala. 

Metoda docentice Akono primjenjuje se izravno na mikrometarskim i nanometarskim skalama, a to štedi puno vremena. Na temelju toga može se bolje razumjeti kako se materijali ponašaju, kako pucaju i u konačnici predvidjeti njihova otpornost na lomljenje.

Predviđanja nastala ispitivanjima ogrebotina također omogućuju inženjerima da porade na performansama materijala i poboljšaju ih. Kako bi se poboljšala otpornost običnog cementa  na lom, korištene su grafitne nano-ploče. Pokazalo se da je i mala količine nanomaterijala poboljšala svojstva transporta vode, uključujući strukturu pora i otpornost na prodiranje vode.

Zeleni beton

Rezultati ove studije mogli bi imati implikacije na izgradnju zgrada, održavanje cesta, optimizaciju senzora i generatora te nadzor stanja konstrukcija. Uostalom, Ujedinjeni narodi predviđaju da će do sredine stoljeća dvije trećine svjetske populacije biti koncentrirano u gradovima. S obzirom na trend urbanizacije, očekuje se da će proizvodnja cementa rasti u nebo. Uvođenje zelenog betona koji koristi lakši cement s boljim performansama smanjit će njegov ukupni otisak ugljika.

Nanomaterijali na bazi ugljika, uključujući grafitne nano-ploče, već se razmatraju u dizajnu pametnih senzora na bazi cementa za nadzor stanja strukture. Akono već razmatra korištenje građevinskog otpada za stvaranje novog betona i razmišlja o povećanju udjela nanomaterijala u cementu.
 
"Želim shvatiti performanse na duži rok", kaže Akono. "Na primjer, kakav će biti otpor na zgradi izgrađenoj od nanomaterijala na bazi ugljika 10, 20 ili 40 godina?"