Melistriki Semen dengan Nanokarbon Hitam

Sejak penemuannya beberapa ribu tahun yang lalu, beton telah menjadi alat untuk kemajuan peradaban, digunakan dalam aplikasi konstruksi yang tak terhitung jumlahnya, dari jembatan hingga bangunan. Namun, meskipun ada inovasi selama berabad-abad, fungsinya tetap struktural.

Upaya bertahun-tahun oleh para peneliti MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), bekerja sama dengan Pusat Penelitian Ilmiah Nasional Prancis (CNRS), telah bertujuan untuk mengubahnya. Kolaborasi itu bertujuan untuk membuat beton lebih berkelanjutan dengan menambahkan fungsi baru yaitu, konduktivitas elektron. Konduktivitas elektron akan memungkinkan penggunaan beton untuk berbagai aplikasi baru, mulai dari pemanasan sendiri hingga penyimpanan energi.

Pendekatan mereka bergantung pada pengenalan terkontrol bahan nanokarbon sangat konduktif ke dalam campuran semen. Dalam makalah di Physical Review Materials, mereka memvalidasi pendekatan ini sambil menyajikan parameter yang menentukan konduktivitas material.

Penulis utama makalah dan postdoc di MIT CSHub, Nancy Soliman, percaya bahwa penelitian ini berpotensi menambahkan dimensi yang sama sekali baru pada bahan konstruksi yang sudah populer.

"Ini model semen konduktif orde satu. Dan itu akan membawa pengetahuan yang dibutuhkan untuk mendorong peningkatan skala dari jenis material multifungsi ini," jelasnya

Dari skala nano hingga yang canggih

Selama beberapa dekade terakhir, bahan nanokarbon telah berkembang pesat karena kombinasi sifatnya yang unik, terutama konduktivitas. Ilmuwan dan insinyur sebelumnya telah mengusulkan pengembangan bahan yang dapat memberikan konduktivitas ke semen dan beton jika digabungkan di dalamnya.

Untuk pekerjaan baru ini, Soliman ingin memastikan material nanokarbon yang mereka pilih cukup terjangkau untuk diproduksi dalam skala besar. Dia dan rekan-rekannya memilih nanokarbon hitam, bahan karbon murah dengan konduktivitas yang sangat baik. Mereka menemukan bahwa prediksi konduktivitas mereka terbukti.

"Beton secara alami merupakan bahan insulatif. Tapi ketika kita menambahkan partikel hitam nanokarbon, ia berubah dari menjadi bahan isolasi menjadi bahan konduktif," kata Soliman.

Dengan memasukkan nanokarbon hitam hanya pada 4 persen volume campuran mereka, Soliman dan rekan-rekannya menemukan bahwa mereka dapat mencapai ambang perkolasi, titik di mana sampel mereka dapat membawa arus.

Mereka memperhatikan bahwa arus ini juga memiliki hasil yang menarik: Dapat menghasilkan panas. Ini karena apa yang dikenal sebagai efek Joule.

"Pemanasan joule (pemanasan resistif) disebabkan oleh interaksi antara elektron yang bergerak dan atom dalam konduktor," jelas Nicolas Chanut, salah satu penulis makalah dan postdoc di MIT CSHub.

"Elektron yang dipercepat dalam medan listrik bertukar energi kinetik setiap kali mereka bertabrakan dengan atom, menyebabkan getaran atom dalam kisi, yang bermanifestasi sebagai panas dan kenaikan suhu dalam material," terangnya.

Dalam eksperimen, mereka menemukan bahwa bahkan tegangan kecil serendah 5 volt dapat meningkatkan suhu permukaan sampel hingga 41 derajat Celcius (sekitar 100 derajat Fahrenheit). Meskipun pemanas air standar dapat mencapai suhu yang sebanding, penting untuk mempertimbangkan bagaimana bahan ini akan diterapkan jika dibandingkan dengan strategi pemanasan konvensional.

"Teknologi ini bisa ideal untuk pancaran pemanas lantai dalam ruangan," jelas Chanut.

"Biasanya radiant heating dalam ruangan dilakukan dengan mengalirkan air panas ke dalam pipa yang mengalir di bawah lantai. Tetapi sistem ini dapat menjadi tantangan untuk dibangun dan dipelihara. Namun, jika semen itu sendiri menjadi elemen pemanas, sistem pemanas menjadi lebih sederhana untuk dipasang dan lebih dapat diandalkan. Selain itu, semen menawarkan distribusi panas yang lebih homogen karena dispersi nanopartikel yang sangat baik dalam material," tuturnya.

Semen nanokarbon juga dapat digunakan di luar ruangan. Chanut dan Soliman percaya bahwa jika diterapkan di perkerasan beton, semen nanokarbon dapat mengurangi masalah ketahanan, keberlanjutan, dan keselamatan. Sebagian besar kekhawatiran itu berasal dari penggunaan garam untuk menghilangkan es.

"Di Amerika Utara, kami melihat banyak salju. Untuk menghilangkan salju ini dari jalan kami membutuhkan penggunaan garam penghilang es, yang dapat merusak beton, dan mencemari air tanah," kata Soliman.

Truk berat yang digunakan untuk mengasinkan jalan juga merupakan penghasil emisi berat dan mahal untuk dioperasikan. Dengan mengaktifkan radiasi di trotoar, semen nanokarbon dapat digunakan untuk menghilangkan es di trotoar tanpa garam jalan, berpotensi menghemat jutaan dolar untuk biaya perbaikan dan operasi sambil memperbaiki masalah keselamatan dan lingkungan. Dalam aplikasi tertentu yang mengutamakan pemeliharaan kondisi perkerasan luar biasa, seperti landasan pacu bandara - teknologi ini terbukti sangat menguntungkan.

Kabel kusut

Meskipun semen canggih ini menawarkan solusi elegan untuk berbagai masalah, mencapai multifungsi menimbulkan berbagai tantangan teknis. Misalnya, tanpa cara untuk menyelaraskan nanopartikel ke dalam sirkuit yang berfungsi - yang dikenal sebagai kabel volumetrik di dalam semen, konduktivitasnya tidak mungkin dieksploitasi. Untuk memastikan kabel volumetrik yang ideal, para peneliti menyelidiki properti yang dikenal sebagai tortuosity.

"Tortuosity adalah konsep yang kami perkenalkan dengan analogi dari bidang difusi," jelas Franz-Josef Ulm, pemimpin dan rekan penulis makalah, profesor di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan MIT, dan penasihat fakultas di CSHub.

"Dulu, ini menggambarkan bagaimana ion mengalir. Dalam pekerjaan ini, kami menggunakannya untuk mendeskripsikan aliran elektron melalui kabel volumetrik," ujarnya.

Ulm menjelaskan, tortuosity dengan contoh mobil yang berjalan di antara dua titik dalam sebuah kota. Sementara jarak antara dua titik saat burung gagak terbang mungkin dua mil, jarak sebenarnya yang ditempuh bisa lebih besar karena lingkar jalan.

Hal yang sama berlaku untuk elektron yang bergerak melalui semen. Jalur yang harus diambil dalam sampel selalu lebih panjang daripada panjang sampel itu sendiri. Sejauh mana jalan itu lebih panjang adalah tortuosity.

Mencapai tortuositas yang optimal berarti menyeimbangkan kuantitas dan dispersi karbon. Jika karbon tersebar terlalu banyak, kabel volumetrik akan menjadi jarang, menyebabkan tortuositas tinggi. Demikian pula, tanpa karbon yang cukup dalam sampel, tortuosity akan terlalu besar untuk membentuk kabel langsung dan efisien dengan konduktivitas tinggi.

Bahkan menambahkan karbon dalam jumlah besar terbukti kontraproduktif. Pada titik tertentu, konduktivitas akan berhenti meningkat dan, secara teori, hanya akan meningkatkan biaya jika diterapkan dalam skala besar. Sebagai hasil dari kerumitan ini, mereka berusaha mengoptimalkan campuran mereka.

"Kami menemukan bahwa dengan menyelaraskan volume karbon, kami dapat mencapai nilai tortuositas 2," kata Ulm. Ini berarti jalur yang diambil elektron hanya dua kali panjang sampel.

Menghitung properti seperti itu penting bagi Ulm dan rekan-rekannya. Tujuan dari makalah terbaru mereka bukan hanya untuk membuktikan bahwa semen multifungsi dapat digunakan, tetapi juga dapat digunakan untuk produksi massal.

"Poin kuncinya adalah agar seorang insinyur mengambil sesuatu, mereka membutuhkan model kuantitatif," jelas Ulm.

"Sebelum Anda mencampur bahan bersama-sama, Anda ingin mengharapkan sifat berulang tertentu. Persis seperti itulah yang digariskan oleh makalah ini; ia memisahkan apa yang disebabkan oleh kondisi batas, kondisi lingkungan asing, dari apa yang sebenarnya disebabkan oleh mekanisme fundamental di dalam material," kata dia.

Dengan mengisolasi dan mengukur mekanisme ini, Soliman, Chanut, dan Ulm berharap dapat memberikan para insinyur apa yang mereka butuhkan untuk menerapkan semen multifungsi dalam skala yang lebih luas. Jalan yang telah mereka petakan sangat menjanjikan, dan, berkat kerja keras mereka, tidak terbukti terlalu berbelit-belit. SB/mitnews/P-4