Siyah Nanokarbonlu Elektrik Veren Çimento

Siyah nanokarbonlu, elektrik veren çimento harcı

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT) ve Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS), elektriği ileten ve ısı üretebilen çimento harcı üretti.

Birkaç bin yıl önce gerçekleşen icadından bu yana beton, uygarlığın ilerlemesi için bir araç hâline geldi ve köprülerden binalara kadar sayısız inşaat uygulamasında kullanıldı. Yüzyıllar süren araştırma ve getirilen yeniliğe rağmen, işlevi esas olarak yapısal kaldı.

MIT Beton Sürdürülebilirlik Merkezi (CSHub) araştırmacılarının, Fransız Ulusal Bilimsel Araştırma Merkezi (CNRS) ile iş birliği içinde yürüttüğü proje, bunu değiştirmeyi amaçlıyor. Proje, elektron iletkenliği gibi yeni işlevler ekleyerek betonu daha sürdürülebilir hâle getirmeyi vaat ediyor. Elektron iletkenliğinin, kendiliğinden ısınmadan enerji depolamaya kadar çeşitli yeni uygulamalar için beton kullanımının önünü açması bekleniyor.

Yaklaşımları, yüksek iletkenliğe sahip nanokarbon malzemelerin kontrollü bir şekilde  karışıma eklenmesine dayanıyor. Physical Review Materials dergisindeyayımlanan makalelerinde, malzemenin iletkenliğini belirleyen parametreleri sunarken bu yaklaşımın doğrulamasını sundular.

Makalenin başyazarı ve MIT CSHub’da araştırmacı olarak görev yapan Nancy Soliman, bu araştırmanın hâlihazırda popüler bir inşaat malzemesi olan maddeye tamamen yeni bir boyut ekleme potansiyeline sahip olduğuna inanıyor.

Nancy Soliman, “Bu, iletken çimentonun birinci dereceden bir modeli ve bu tür (çok işlevli) malzemelerin yaygınlaştırılmasını teşvik etmek için gereken teknik bilgiyi beraberinde getirecek.” dedi.

Nano ölçekten en son teknolojiye

Son birkaç yılda, nanokarbon malzemeler, başta iletkenlik olmak üzere, benzersiz özellik kombinasyonları nedeniyle yaygınlaştı. Bilim insanları ve mühendisler, daha öncesinde içine dâhil edildiğinde çimento ve betona iletkenlik kazandırabilecek malzemelerin geliştirilmesini önermişti.

Bu yeni çalışma için Soliman, seçtikleri nanokarbon malzemenin uygun ölçekte üretilebilecek kadar uygun fiyatlı olmasını istedi. Araştırmacılar, mükemmel iletkenliğe sahip ucuz bir karbon malzeme olan nanokarbon siyahına karar verdiler. İletkenlik tahminleri doğru çıktı.

Betonun doğal olarak yalıtkan bir malzeme olduğuna dikkat çeken Soliman, siyah nanokarbon eklendiğinde iletken bir maddeye dönüştüğünü belirtti.

Soliman ve ekibi, karışımın yalnızca %4’lük hacmine siyah nanokarbon ekleyerek, numunenin bir akım taşıyabileceği nokta olan sızma eşiğine ulaştığını gözlemlediler.

Araştırmacılar aynı zamanda Joule etkisi olarak bilinen fenomenden dolayı elde ettikleri malzemenin ısı iletebildiğini keşfettiler. Makalenin ortak yazarlarından ve MIT CSHub’da araştırmacı olarak görev yapan Nicolas Chanut, Joule ısıtmasını, “iletkendeki hareketli elektronlar ve atomlar arasındaki etkileşimlerden kaynaklanır” şeklinde açıkladı. “Elektrik alanındaki hızlandırılmış elektronlar, bir atomla her çarpıştıklarında kinetik enerjiyi değiştirirler, kafesteki atomların titreşimini indüklerler, bu da malzemede ısı ve sıcaklık artışı olarak kendini gösterir.”

Yapılan deneyler, 5 volt kadar düşük küçük bir voltajın bile numunelerin yüzey sıcaklıklarını (yaklaşık 5×3 cm boyutunda) 41 santigrat dereceye kadar artırabildiğini gösterdi. Standart bir su ısıtıcısı kadar sıcaklığa ulaşabilirken, geleneksel ısıtma stratejileriyle karşılaştırıldığında bu malzemenin uygulama alanlarını göz önünde bulundurmak gerekiyor.

Chanut, “Bu teknoloji, radyan iç mekân yerden ısıtma için ideal olabilir.” diye açıklıyor. “Genellikle, iç mekân radyan ısıtması, ısıtılmış suyun zeminin altından geçen borularda dolaştırılmasıyla yapılır, ancak bu sistemin inşası ve bakımı zor olabilir. Çimentonun kendisi bir ısıtma elemanı haline geldiğinde ise, ısıtma sisteminin kurulumu daha basit ve daha güvenilir hâle gelir. Ayrıca, nanopartiküllerin malzeme içinde çok iyi dağılması nedeniyle karışım daha homojen bir ısı dağılımı sunuyor.”

Nanokarbon çimentonun dış mekânlarda da çeşitli uygulama alanları mevcut. Chanut ve Soliman, beton kaplamalarda uygulanması hâlinde nanokarbon çimentonun dayanıklılık, sürdürülebilirlik ve güvenlik endişelerini azaltabileceğine inanıyor. Bu endişelerin çoğu, buz çözme amaçlı tuz kullanımından kaynaklanmaktadır.

Soliman, “Kuzey Amerika’da çok fazla kar görüyoruz. Karı yollardan temizlemek için betona zarar verebilecek ve yer altı suyunu kirletebilecek buz çözücü tuzların kullanılması gerekiyor,” şeklinde açıkladı. Yolları tuzlamak için kullanılan ağır hizmet kamyonları aynı zamanda yüksek emisyona sahip olup yüksek maliyetlidir.

Kaplamalarda radyan ısıtmayı mümkün kılarak, nanokarbon çimentosu, yol tuzu olmadan kaplamaların buzunu çözmek için kullanılabilir, böylelikle güvenlik ve çevresel endişeleri giderirken potansiyel olarak onarım ve işletme maliyetlerinde de milyonlarca dolar tasarruf edilmesini sağlayabilir. İstisnai kaplama koşullarının korunmasının çok önemli olduğu bazı uygulamalarda, havaalanı pistleri gibi, bu teknoloji özellikle avantajlı olabilir.

Karmaşık kablolar

Bu son teknoloji ürünü bu karışım, bir dizi soruna çözümler sunarken, çok işlevliliğe ulaşmak çeşitli teknik zorluklar doğurdu. Örneğin, nanoparçacıkları, çimento içinde hacimsel kablolama olarak bilinen, işleyen bir devreye yerleştirmenin bir yolu bulunmadan iletkenliklerinden yararlanmak imkânsız. İdeal bir hacimsel kablolamayı sağlamak için araştırmacılar, dolambaçlılık olarak bilinen bir özelliği araştırdılar.

Makalenin yazarlarından, MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümünde profesör ve CSHub’da fakülte danışmanı olan Franz-Josef Ulm, “Dolambaçlılık, difüzyon alanından analojiyle tanıttığımız bir kavramdır.” şeklinde açıkladı. “Geçmişte, iyonların nasıl aktığını anlatmıştı. Bu çalışmada, hacimsel telden elektron akışını tanımlamak için kullanıyoruz.”

Ulm, dolambaçlılığı bir şehirde iki nokta arasında seyahat eden bir araba örneği ile açıklıyor. Kuş uçuşu olarak bu iki nokta arasındaki mesafe 3 km olabilirken, gidilen gerçek mesafe sokakların dolambaçlı olması nedeniyle daha fazla olabilir.

Aynısı çimentodan geçen elektronlar için de geçerlidir. Numune içinde izlemeleri gereken yol her zaman numunenin uzunluğundan daha uzundur. Bu yolun daha uzun olma derecesi dolambaçlılıktır.

Optimum dolambaçlılığa ulaşmak, karbon miktarını ve dağılımını dengelemek anlamına gelir. Karbon çok yoğun bir şekilde dağılırsa, hacimsel kablolama seyrekleşecek ve yüksek dolambaçlılığa yol açacaktır. Benzer şekilde, numunede yeterli karbon olmadan, dolambaçlılık, yüksek iletkenliğe sahip doğrudan, verimli bir kablolama oluşturmak için çok büyük olacaktır.

Çok miktarda karbon eklemek bile verimsiz olabilir. Belirli bir noktada iletkenlik gelişmeyi bırakacak ve yalnızca ölçekte uygulandığında maliyetleri artıracaktır. Araştırmacılar bu karmaşıklıkların önüne geçmek için karışımlarını optimize etmeye çalıştılar.

Ulm, karbon hacminde ince ayar yaparak 2’lik bir bükülme değerine ulaşabileceğimizi bulduklarını ve bunun elektronların izlediği yolun örneğin uzunluğunun sadece iki katı olduğu anlamına geldiğini açıkladı.

Bu tür özellikleri ölçmek Ulm ve meslektaşları için hayati önem taşıyordu. Son makalelerinin amacı, sadece çok işlevli çimentonun mümkün olduğunu kanıtlamak değil, aynı zamanda seri üretim için de geçerli olduğunu kanıtlamaktı.

Ulm, “Önemli nokta, bir mühendisin bir şeyleri toplaması için nicel bir modele ihtiyaç duymasıdır.” diye açıklıyor. “Malzemeleri birlikte karıştırmadan önce, belirli tekrarlanabilir özellikler bekleyebilirsiniz. Makale tam olarak bu konuya parmak basıyor; sınır koşullar —(harici) çevresel koşullar— ve gerçek malzeme içindeki temel mekanizmalardan kaynaklanan farkı özetliyor.

Soliman, Chanut ve Ulm, bu mekanizmaları izole ederek ve nicelleştirerek, mühendislere çok işlevli çimentoyu daha geniş bir ölçekte uygulamak için tam olarak ihtiyaç duydukları şeyi sağlamayı umuyor.

Kaynak: https://news.mit.edu/2021/electrifying-cement-nanocar