Tecnologia Científica

Cimento eletrizante com preto de nanocarbono
Uma colaboração entre o MIT e o CNRS resultou em um cimento que conduz eletricidade e gera calor.
Por Andrew Logan - 21/04/2021


Os pós-docs do MIT CSHub, Nicolas Chanut e Nancy Soliman, seguram duas de suas amostras de cimento condutivo. Créditos:Foto: Andrew Logan

Desde sua invenção, há vários milênios, o concreto se tornou fundamental para o avanço da civilização, encontrando uso em inúmeras aplicações de construção - de pontes a edifícios . E, no entanto, apesar de séculos de inovação, sua função permaneceu principalmente estrutural.

Um esforço plurianual de pesquisadores do MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), em colaboração com o Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica (CNRS), teve como objetivo mudar isso. A colaboração deles promete tornar o concreto mais sustentável, adicionando novas funcionalidades - a saber, a condutividade eletrônica. A condutividade de elétrons permitiria o uso de concreto para uma variedade de novas aplicações, variando de autoaquecimento a armazenamento de energia.

Sua abordagem se baseia na introdução controlada de materiais de nanocarbono altamente condutores na mistura de cimento. Em um artigo na Physical Review Materials , eles validam essa abordagem ao apresentar os parâmetros que ditam a condutividade do material. 

Nancy Soliman, autora principal do artigo e pós-doutoranda no CSHub do MIT, acredita que esta pesquisa tem o potencial de adicionar uma dimensão inteiramente nova ao que já é um material de construção popular.

“Este é um modelo de primeira ordem do cimento condutor”, explica ela. “E trará [o conhecimento] necessário para incentivar a ampliação desses tipos de materiais [multifuncionais].” 

Da nanoescala ao estado da arte

Nas últimas décadas, os materiais de nanocarbono proliferaram devido à sua combinação única de propriedades, principalmente a condutividade. Cientistas e engenheiros já propuseram o desenvolvimento de materiais que podem conferir condutividade ao cimento e ao concreto se incorporados.

Para este novo trabalho, Soliman queria garantir que o material de nanocarbono selecionado fosse acessível o suficiente para ser produzido em escala. Ela e seus colegas optaram pelo negro de nanocarbono - um material de carbono barato com excelente condutividade. Eles descobriram que suas previsões de condutividade foram confirmadas.

“O concreto é naturalmente um material isolante”, diz Soliman, “mas quando adicionamos partículas negras de nanocarbono, ele deixa de ser um isolante e passa a ser um material condutor”.

Ao incorporar o negro de nanocarbono em apenas 4% do volume de suas misturas, Soliman e seus colegas descobriram que poderiam atingir o limite de percolação, o ponto em que suas amostras poderiam carregar uma corrente.

Eles perceberam que essa corrente também tinha um resultado interessante: ela poderia gerar calor. Isso se deve ao que é conhecido como efeito Joule.

“O aquecimento por Joule (ou aquecimento resistivo) é causado por interações entre os elétrons e átomos em movimento no condutor, explica Nicolas Chanut, coautor do artigo e pós-doutorando no MIT CSHub. “Os elétrons acelerados no campo elétrico trocam energia cinética cada vez que colidem com um átomo, induzindo a vibração dos átomos na rede, que se manifesta como calor e aumento da temperatura do material.”

Em seus experimentos, eles descobriram que mesmo uma pequena voltagem - tão baixa quanto 5 volts - poderia aumentar as temperaturas da superfície de suas amostras (aproximadamente 5 cm 3 de tamanho) até 41 graus Celsius (cerca de 100 graus Fahrenheit). Embora um aquecedor de água padrão possa atingir temperaturas comparáveis, é importante considerar como esse material seria implementado em comparação com as estratégias de aquecimento convencionais.

“Essa tecnologia pode ser ideal para aquecimento de piso radiante interno”, explica Chanut. “Normalmente, o aquecimento radiante interno é feito pela circulação de água aquecida em tubulações que passam por baixo do piso. Mas este sistema pode ser desafiador para construir e manter. Quando o próprio cimento se torna um elemento de aquecimento, no entanto, o sistema de aquecimento se torna mais simples de instalar e mais confiável. Além disso, o cimento oferece uma distribuição de calor mais homogênea devido à ótima dispersão das nanopartículas no material. ”

O cimento de nanocarbono também pode ter várias aplicações ao ar livre. Chanut e Soliman acreditam que, se implementado em pavimentos de concreto, o cimento de nanocarbono pode mitigar as preocupações com durabilidade, sustentabilidade e segurança. Muitas dessas preocupações decorrem do uso de sal para degelo.

“Na América do Norte, vemos muita neve. Para remover essa neve de nossas estradas, é necessário o uso de sais de degelo, que podem danificar o concreto e contaminar as águas subterrâneas ”, observa Soliman. Os caminhões pesados ​​usados ​​para salgar as estradas também são emissores pesados ​​e caros de operar.

Ao permitir o aquecimento radiante em pavimentos, o cimento de nanocarbono poderia ser usado para descongelar pavimentos sem sal rodoviário, potencialmente economizando milhões de dólares em custos de reparo e operação, ao mesmo tempo em que corrige preocupações ambientais e de segurança. Em certas aplicações onde a manutenção de condições excepcionais de pavimentação é fundamental - como pistas de aeroportos - esta tecnologia pode ser particularmente vantajosa.       

Fios emaranhados

Embora esse cimento de última geração ofereça soluções elegantes para uma série de problemas, alcançar a multifuncionalidade apresenta uma variedade de desafios técnicos. Por exemplo, sem uma maneira de alinhar as nanopartículas em um circuito em funcionamento - conhecido como fiação volumétrica - dentro do cimento, sua condutividade seria impossível de explorar. Para garantir uma fiação volumétrica ideal, os pesquisadores investigaram uma propriedade conhecida como tortuosidade.

“Tortuosidade é um conceito que introduzimos por analogia no campo da difusão”, explica Franz-Josef Ulm, líder e coautor do artigo, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT e orientador do CSHub . “No passado, ele descreveu como os íons fluem. Neste trabalho, nós o usamos para descrever o fluxo de elétrons através do fio volumétrico. ”

Ulm explica a tortuosidade com o exemplo de um carro viajando entre dois pontos de uma cidade. Enquanto a distância entre esses dois pontos em linha reta pode ser de três quilômetros, a distância real percorrida pode ser maior devido ao circuito das ruas.

O mesmo é verdade para os elétrons que viajam pelo cimento. O caminho que eles devem seguir dentro da amostra é sempre mais longo do que o comprimento da própria amostra. O grau em que esse caminho é mais longo é a tortuosidade.

Alcançar a tortuosidade ideal significa equilibrar a quantidade e a dispersão de carbono. Se o carbono estiver muito disperso, a fiação volumétrica se tornará esparsa, levando a alta tortuosidade. Da mesma forma, sem carbono suficiente na amostra, a tortuosidade será muito grande para formar uma fiação direta e eficiente com alta condutividade.

Mesmo a adição de grandes quantidades de carbono pode ser contraproducente. Em um determinado ponto, a condutividade deixará de melhorar e, em teoria, só aumentaria os custos se implementada em escala. Como resultado dessas complexidades, eles buscaram otimizar suas mixagens.

“Descobrimos que, ao ajustar o volume de carbono, podemos chegar a um valor de tortuosidade de 2”, diz Ulm. “Isso significa que o caminho que os elétrons percorrem tem apenas o dobro do comprimento da amostra.”

Quantificar essas propriedades era vital para Ulm e seus colegas. O objetivo de seu artigo recente não era apenas provar que o cimento multifuncional era possível, mas que também era viável para a produção em massa.

“O ponto principal é que, para um engenheiro pegar as coisas, ele precisa de um modelo quantitativo”, explica Ulm. “Antes de misturar materiais, você pode esperar certas propriedades repetíveis. Isso é exatamente o que este artigo descreve; separa o que é devido às condições de contorno - condições ambientais [estranhas] - do que realmente é devido aos mecanismos fundamentais dentro do material. ”

Ao isolar e quantificar esses mecanismos, Soliman, Chanut e Ulm esperam fornecer aos engenheiros exatamente o que eles precisam para implementar cimento multifuncional em uma escala mais ampla. O caminho que traçaram é promissor - e, graças ao seu trabalho, não deve ser muito tortuoso.

A pesquisa foi apoiada através do Concrete Sustainability Hub da Portland Cement Association e da Ready Mixed Concrete Research and Education Foundation.

 

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