甲壳类动物使水泥更坚固

　　作者：Christine Middleton
　　编译：袁瑜
　　图片来源：https://physicstoday.scitation.or
　　就人类的材料消耗而言，混凝土仅次于水。水泥（由粉状氧化钙、二氧化硅、氧化铝和其他成分组成，约占混凝土的 10-15%）能将混合物粘合在一起，对现代基础设施至关重要。但加工水泥中的石灰石（碳酸钙）产生的温室气体约占总排放量的5%。因此，寻找减少水泥用量的方法具有重要的现实意义。
　　减少消耗的一个有希望的策略是使材料更坚固，这样就不需要经常修理或更换。华盛顿州立大学的Mostofa Haider和他的同事已经证明，通过在混合材料中加入由生物聚合物甲壳素制成的纳米结构，可以将水泥的弯曲强度提高40%，压缩强度提高12%。
　　自然界已经证明，加入甲壳素可以制成强大的复合材料：典型的甲壳类动物的外壳中约有20-30%的甲壳素。甲壳素的电荷可以通过在表面添加不同的化学基团来控制；而最近被研究的另一种添加剂纤维素就缺乏这种灵活性。当放入水泥溶液时，带电的甲壳素可以通过静电斥力稳定水泥颗粒。这种影响减缓了干燥过程，这有利于施工，因为它可以给工人更多的时间来运输和倾倒材料。
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　　研究人员测试了添加0.1%甲壳素的水泥样品。这种材料有两种形式:如图左侧所示的小纳米晶体(NC)，或如图右侧所示的大纳米纤维(NF)。NC将平时1 ~ 2天的设定时间延长了106分钟;NF，延长了78分钟。这一结果表明，NC是更好的稳定剂。然而，纳米结构具有相似的表面电荷，因此研究人员认为这种差异形成的原因，是因为NC的尺寸更小，几何形状更细长，这使得它们能够更有效地吸附在颗粒表面，并防止形成缠结的光纤网络。
　　加入甲壳素对水泥悬浮液的流动特性影响不大，因此不会改变搅拌所需的能量。但它确实会影响干燥材料的强度。28 天后，添加NC或NF的混凝土抗弯强度比普通水泥提高了40%。在压缩强度方面，NF领先; 它们比普通水泥提高了 12%，而NC只有5%。
　　海产品行业每年产生约100万吨甲壳素废物。如果能防止未经处理的废物被倒回海洋(有时确实是这样)，那么重新利用这些材料可能对环境有益。因为除了污染海岸线外，甲壳素在分解时还会改变化学环境，从而伤害水生物种。
　　文章来源：https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20220811a/full/