混凝土非常有用，這就是為什么它是世界上使用最廣泛的建筑材料的原因。但是可以說，它實(shí)際上并沒有做任何事情?，F(xiàn)在，工程師們通過摻入納米碳黑來制造可以導(dǎo)電并產(chǎn)生熱量的混凝土。
通常，混凝土是絕緣體，是抗電的，但是最近的研究集中在使其導(dǎo)電。向混合物中添加某種形式的碳通常可以解決問題，過去的版本正在自動(dòng)融雪的機(jī)場(chǎng)跑道上進(jìn)行測(cè)試。
對(duì)于這項(xiàng)新研究，麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心（CSHub）和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）的研究人員向混凝土中添加了納米碳黑，這是一種廉價(jià)的碳材料，具有出色的導(dǎo)電性。僅占體積的百分之四，混凝土就能夠承載電流-結(jié)果，它也散發(fā)出熱量。
使電流流過導(dǎo)電混凝土?xí)蛊渖郎?
該研究的合著者尼古拉斯·尚努特（Nicolas Chanut）說："焦耳加熱（或電阻加熱）是由導(dǎo)體中移動(dòng)的電子與原子之間的相互作用引起的。" "電場(chǎng)中的加速電子每次與原子碰撞時(shí)都會(huì)交換動(dòng)能，從而引起晶格中原子的振動(dòng)，這表現(xiàn)為熱量和材料中溫度的升高。"
新型導(dǎo)電混凝土是通過混入少量納米碳黑制成的
該論文的主要作者，麻省理工學(xué)院CSHub博士后南希·索利曼（Nancy Soliman）認(rèn)為，這項(xiàng)研究有可能為一種已經(jīng)很流行的建筑材料增加一個(gè)全新的維度。
她解釋說："這是導(dǎo)電膠的一階模型。" "而且它將帶來鼓勵(lì)擴(kuò)大此類[多功能]材料所需的[知識(shí)]。"
從納米級(jí)到最新技術(shù)
在過去的幾十年中，納米碳材料因其獨(dú)特的性能組合（其中最主要的是導(dǎo)電性）而激增。以前，科學(xué)家和工程師已經(jīng)提出了一種材料的開發(fā)，如果將其摻入水泥和混凝土中，它們可以賦予水泥和混凝土導(dǎo)電性。
對(duì)于這項(xiàng)新工作，Soliman希望確保他們選擇的納米碳材料價(jià)格合理，足以大規(guī)模生產(chǎn)。她和她的同事們選擇了納米碳黑-一種具有出色電導(dǎo)率的廉價(jià)碳材料。他們發(fā)現(xiàn)他們對(duì)電導(dǎo)率的預(yù)測(cè)得到了證實(shí)。
索利曼說："混凝土自然是一種絕緣材料，但是當(dāng)我們添加納米碳黑顆粒時(shí)，它會(huì)從絕緣體變成導(dǎo)電材料。"
通過將納米炭黑的混合量?jī)H占混合物的4％，Soliman和她的同事發(fā)現(xiàn)它們可以達(dá)到滲濾閾值，即樣品可以承受電流的點(diǎn)。
他們注意到，這股電流也有一個(gè)有趣的結(jié)果：它可能產(chǎn)生熱量。這是由于所謂的焦耳效應(yīng)。
論文的合著者，麻省理工學(xué)院CSHub博士后Nicolas Chanut解釋說："焦耳加熱（或電阻加熱）是由導(dǎo)體中移動(dòng)的電子與原子之間的相互作用引起的。"電場(chǎng)中的加速電子每次與原子碰撞時(shí)都會(huì)交換動(dòng)能，從而引起晶格中原子的振動(dòng)，這表現(xiàn)為熱量和材料中溫度的升高。"
在他們的實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)即使是很小的電壓（低至5伏）也可以將其樣品的表面溫度（大小約為5 cm 3）提高到41攝氏度（約100華氏度）。雖然標(biāo)準(zhǔn)熱水器可能達(dá)到可比較的溫度，但與傳統(tǒng)的加熱策略相比，考慮這種材料的實(shí)現(xiàn)方式非常重要。
"該技術(shù)可能是輻射室內(nèi)地板采暖的理想選擇，" Chanut解釋道。通常，室內(nèi)輻射采暖是通過使熱水在地板下運(yùn)行的管道中循環(huán)來完成的。但是，該系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)可能具有挑戰(zhàn)性。但是，當(dāng)水泥本身成為加熱元件時(shí)，加熱系統(tǒng)將變得更易于安裝且更可靠。此外，由于納米粒子在材料中的良好分散，水泥提供了更均勻的熱分布。"
納米碳水泥在戶外也可以有多種應(yīng)用。Chanut和Soliman認(rèn)為，如果在混凝土路面上使用，納米碳水泥可以減輕耐久性，可持續(xù)性和安全性問題。這些問題大部分來自使用鹽來除冰。
"在北美，我們看到很多雪。要清除道路上的積雪，需要使用除冰鹽，這可能會(huì)損壞混凝土并污染地下水。" 用于加鹽道路的重型卡車也很重，而且運(yùn)行成本高。
通過在路面上輻射加熱，納米碳水泥可用于在不增加道路鹽分的情況下為路面除冰，潛在地節(jié)省了數(shù)百萬美元的維修和運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)消除了對(duì)安全和環(huán)境的擔(dān)憂。在某些情況下，保持特殊的路面狀況至關(guān)重要（例如機(jī)場(chǎng)跑道），該技術(shù)可能會(huì)證明是特別有利的。
這項(xiàng)研究發(fā)表在" Physical Review Materials."雜志上。
