کاهش انتشار CO2 ناشی از ساخت سیمان با کمک فناوری‌نانو

بر طبق تحقیق انجام شده توسط مهندسان در موسسه فناوری ماساچوست
(MIT)، مطالعات انجام گرفته بر روی نانوساختار بتون، می‌تواند به کاهش نشر دی
‌اکسید کربن (CO₂) در طول ساخت آن کمک کند. حدود ۳۵/۲ بیلیون تن بتون در هر سال
تولید می‌گردد، و تولید سیمان که جز اصلی سازنده بتون است بالغ بر %۱۰-۵ کل CO₂ را
در جهان منتشر می‌کند که سهم مهمی در گرم شدن زمین دارد.
Franz Josef Ulm و Georgios Constantinides از MIT دریافتند که به دلیل اینکه بتون
از نانوذرات سازمان‌یافته ساخته شده‌ است، بسیار قوی و پایدار می‌باشد. Ulm توضیح
داد که: اگر هر چیزی(خاصیتی) به ساختار سازمان یافته نانوذراتی که بتون را تشکیل می‌دهند،
بیشتر از خود آن ماده، وابسته باشد، ما می‌توانیم آن را با ماده‌ای که دارای خواص
دیگر بتون مانند استحکام، دوام، فراوانی و قیمت کم باشد، اما در طی فرآیند ساخت به
همان اندازه CO₂ در هوا منتشر نمی‌کند؛ جایگزین کنیم.
سیمان، قدیمی‌ترین ماده مهندسی ساختمان در جهان است که حتی در زمان رومی‌ها یا پیش
از آن نیز استفاده می‌شده است. برای ساخت سیمان، ابتدا اجزای اصلی سازنده آن یعنی
سنگ آهک و خاک رس خرد شده و به صورت پودر درمی‌آیند، سپس تا دمای حدود ۱۵۰۰°cْگرم
می‌شوند. در این دماهای بالا، این مواد از لحاظ ساختاری تغییر شکل یافته و انرژی در
داخل پودر ذخیره می‌گردد. این فرآیند بیشترین CO₂ را منتشر می‌کند. هنگامی که این
پودر با آب مخلوط می‌شود، انرژی ذخیره شده در آن، در میان پیوندهای شیمیایی آزاد
شده و سازنده‌های اصلی اولیه سیمان یعنی کلسیم- سیلیکات- هیدرات (C-S-H) را تشکیل
می‌دهند.
مهندسین MIT بر روی محدوده وسیعی از خمیر سیمان از سرتاسر دنیا با استفاده از روش
جدید nano-indentation مطالعه انجام داده‌اند، این روش شامل کاوش کردن خمیر سیمان
سخت شده توسط یک سوزن در اندازه نانو است. سپس یک میکروسکوپ نیروی اتمی به آنها
اجازه داد تا این نانوساختار و مقاومت هر یک از خمیرها را با اندازه‌گیری فرورفتگی‌ها
(indentation) ایجاد شده با سوزن، محاسبه کنند. این روش قبل از این بر روی مواد
همگن استفاده شده است ولی هرگز بر روی مواد ناهمگن مانند سیمان به کار نرفته است.

این محققان کشف کرده‌اند که رفتار ذرات C-S-H، که اندازه آنها حدود ۵nm است، در
همه نمونه‌های سیمان یک اثر نانویی منحصر به فرد نشان می‌دهد، ‌که به آن “کد ژنومیک”
این ماده می‌گویند. این مطلب نشان می‌دهد که مقاومت خمیر سیمان و بنابراین بتون، به
مواد معدنی خاصی بستگی ندارد اما به چگونگی سازمان‌دهی این مواد معدنی به صورت
نانوذرات فشرده، بستگی دارد.
این محققان می‌گویند اگر دانشمندان، یا مهندسان نانو، بتوانند مواد معدنی متفاوتی
برای استفاده در خمیر سیمان پیدا کنند، انتشار جهانی CO₂ می‌تواند تا %۱۰ کاهش یابد.
مواد معدنی جدید باید چگالی فشردگی (Packing) سیمان را دارا باشند ولی برای تولید
به دماهای بالا نیازمند نباشند.
در حال حاضر این گروه بر روی منیزیم به عنوان جایگزین ممکن کلسیم در پودر سیمان
مطالعه می‌کنند. منیزیم یک فلز خاکی، مانند کلسیم است، ولی این ماده زائد و بی‌مصرف
است که مردم برای از بین بردن آن باید هزینه کنند.
این گروه نتایج کار خود را در مجله Solids Mechanics and Physics of منتشر کرده است.