Cement geleidend te maken met nano-carbon black

Een meerjarige inspanning van MIT’s Concrete Sustainability Hub (CSHub) en het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) heeft tot doel beton duurzamer te maken door nieuwe functionaliteiten toe te voegen, namelijk elektronengeleidbaarheid. Hun aanpak berust op de gecontroleerde introductie van sterk geleidende nanokoolstofmaterialen in het cementmengsel.

Onderzoeksleider Nancy Soliman wilde ervoor zorgen dat het door hen geselecteerde nanokoolstofmateriaal betaalbaar genoeg was om op schaal te worden geproduceerd. Zij en haar collega’s kozen voor nanokoolstofzwart – een goedkoop koolstofmateriaal met een uitstekende geleiding. Hun ideeën over geleidbaarheid werden bevestigd.

"Beton is van nature een isolerend materiaal", zegt Soliman, "maar als we carbon black-deeltjes toevoegen, verandert het van een isolator in een geleidend materiaal." De percolatiedrempel (het punt waarop hun monsters stroom gingen geleiden) werd bereikt bij 4 volumeprocent.

Ze merkten dat de stroom ook warmte genereerde, door het joule-effect. Een spanning van 5 volt kon de oppervlaktetemperaturen van hun monsters (ongeveer 5 cm³ groot) verhogen tot 41 graden Celsius.

"Deze technologie zou ideaal kunnen zijn voor vloerverwarming binnenshuis", zegt onderzoeker Nicolas Chanut. "Gewoonlijk wordt stralingsverwarming binnenshuis gemaakt door verwarmd water te laten circuleren in leidingen die onder de vloer lopen. Maar als het cement zelf een verwarmingselement wordt, wordt het verwarmingssysteem eenvoudiger te installeren, betrouwbaarder, en biedt het een meer homogene warmteverdeling."

Volumetrische bedrading

Zonder een manier om de nanodeeltjes uit te lijnen in een functionerend circuit – de volumetrische bedrading – zou hun geleidbaarheid echter onmogelijk te benutten zijn.

Om een ​​ideale volumetrische bedrading te garanderen, onderzochten onderzoekers een eigenschap die bekend staat als kronkeligheid (tortuosity). "Kronkeligheid is een concept dat we hebben geïntroduceerd naar analogie met het gebied van diffusie", zegt onderzoeker Franz-Josef Ulm. "In het verleden heeft het beschreven hoe ionen stromen. In dit werk gebruiken we het om de stroom van elektronen door de volumetrische draad te beschrijven."

 Ulm legt kronkeligheid uit aan de hand van het voorbeeld van een auto die tussen twee punten in een stad rijdt. Hoewel de afstand tussen die twee punten hemelsbreed twee mijl zou kunnen zijn, zou de werkelijk afgelegde afstand groter kunnen zijn vanwege de vorm van de straten. Hetzelfde geldt voor de elektronen die door cement reizen. Het pad dat ze binnen het monster moeten volgen, is altijd langer dan de lengte van het monster zelf. De mate waarin dat pad langer is, is de kronkeligheid.

De optimale kronkeligheid bereik je door het balanceren van de hoeveelheid en de verspreiding van koolstof. Als de koolstof te sterk wordt verspreid, wordt de volumetrische bedrading schaars, wat leidt tot een hoge kronkeligheid. En met onvoldoende koolstof zal de kronkeligheid te groot zijn om een ​​directe, efficiënte bedrading met hoge geleidbaarheid te vormen.Zelfs het toevoegen van grote hoeveelheden koolstof kan contraproductief zijn. Op een gegeven moment verbetert het geleidingsvermogen niet meer en verhoogt het alleen de kosten. Daarom probeerden ze hun mixen te optimaliseren.

"Door het volume te fine-tunen,bereiktenwe  een ‘kronkelwaarde’ van 2 ", zegt Ulm. "Dit betekent dat het pad dat de elektronen afleggen slechts tweemaal zo lang is als het monster."