Desde sua invenção, hávários milaªnios, o concreto se tornou fundamental para o avanço da civilização, encontrando uso em inaºmeras aplicações de construção - de pontes a edifa­cios . E, no entanto, apesar de séculos de inovação, sua função permaneceu principalmente estrutural.

Um esfora§o plurianual de pesquisadores do MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), em colaboração com o Centro Nacional Francaªs de Pesquisa Cienta­fica (CNRS), teve como objetivo mudar isso. A colaboração deles promete tornar o concreto mais sustenta¡vel, adicionando novas funcionalidades - a saber, a condutividade eletra´nica. A condutividade de elanãtrons 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 parametros que ditam a condutividade do material. 

Nancy Soliman, autora principal do artigo e pa³s-doutoranda no CSHub do MIT, acredita que esta pesquisa tem o potencial de adicionar uma dimensão inteiramente nova ao que já éum material de construção popular.

“Este éum modelo de primeira ordem do cimento condutor”, explica ela. “E trara¡ [o conhecimento] necessa¡rio para incentivar a ampliação desses tipos de materiais [multifuncionais].” 

Nas últimas décadas, os materiais de nanocarbono proliferaram devido a  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 acessa­vel 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 previsaµes de condutividade foram confirmadas.

“O concreto énaturalmente um material isolante”, diz Soliman, “mas quando adicionamospartículas 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 éconhecido como efeito Joule.

“O aquecimento por Joule (ou aquecimento resistivo) écausado por interações entre os elanãtrons e a¡tomos em movimento no condutor, explica Nicolas Chanut, coautor do artigo e pa³s-doutorando no MIT CSHub. “Os elanãtrons acelerados no campo elanãtrico trocam energia cinanãtica cada vez que colidem com um a¡tomo, induzindo a vibração dos a¡tomos 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 dasuperfÍcie de suas amostras (aproximadamente 5 cm 3 de tamanho) até41 graus Celsius (cerca de 100 graus Fahrenheit). Embora um aquecedor de águapadrãopossa atingir temperaturas compara¡veis, éimportante considerar como esse material seria implementado em comparação com as estratanãgias de aquecimento convencionais.

“Essa tecnologia pode ser ideal para aquecimento de piso radiante interno”, explica Chanut. “Normalmente, o aquecimento radiante interno éfeito pela circulação de águaaquecida em tubulações que passam por baixo do piso. Mas este sistema pode ser desafiador para construir e manter. Quando o pra³prio cimento se torna um elemento de aquecimento, no entanto, o sistema de aquecimento se torna mais simples de instalar e mais confia¡vel. Além disso, o cimento oferece uma distribuição de calor mais homogaªnea devido a  a³tima dispersão das nanoparta­culas 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 Amanãrica do Norte, vemos muita neve. Para remover essa neve de nossas estradas, énecessa¡rio o uso de sais de degelo, que podem danificar o concreto e contaminar as a¡guas subterra¢neas ”, observa Soliman. Os caminhaµes 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 rodovia¡rio, potencialmente economizando milhões de da³lares 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 éfundamental - como pistas de aeroportos - esta tecnologia pode ser particularmente vantajosa.       

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

“Tortuosidade éum conceito que introduzimos por analogia no campo da difusão”, explica Franz-Josef Ulm, lider e coautor do artigo, professor do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT e orientador do CSHub . “No passado, ele descreveu como os a­ons fluem. Neste trabalho, noso usamos para descrever o fluxo de elanãtrons atravanãs do fio volumanãtrico. ”

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 quila´metros, a distância real percorrida pode ser maior devido ao circuito das ruas.

O mesmo éverdade para os elanãtrons que viajam pelo cimento. O caminho que eles devem seguir dentro da amostra ésempre mais longo do que o comprimento da própria amostra. O grau em que esse caminho émais longo éa tortuosidade.

Alcana§ar a tortuosidade ideal significa equilibrar a quantidade e a dispersão de carbono. Se o carbono estiver muito disperso, a fiação volumanãtrica se tornara¡ esparsa, levando a alta tortuosidade. Da mesma forma, sem carbono suficiente na amostra, a tortuosidade serámuito 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 deixara¡ de melhorar e, em teoria, são 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 elanãtrons 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 via¡vel para a produção em massa.

“O ponto principal éque, para um engenheiro pegar as coisas, ele precisa de um modelo quantitativo”, explica Ulm. “Antes de misturar materiais, vocêpode esperar certas propriedades repeta­veis. Isso éexatamente o que este artigo descreve; separa o que édevido a s condições de contorno - condições ambientais [estranhas] - do que realmente édevido 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 trazram épromissor - e, graças ao seu trabalho, não deve ser muito tortuoso.

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