Ученые заставили обычный строительный гипс обрести совершенно новую, невиданную ранее форму — в виде идеальных сферических октаэдров, напоминающих микроскопические алмазы. Это открытие, сделанное исследователями из Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета и компании «Наносистемы» (Ростов-на-Дону), кардинально меняет свойства привычного строительного материала, значительно увеличивая его прочность.
Как известно, гипс — это не просто белый порошок. В природе и в строительных смесях он образует самые разные кристаллы: длинные иглы, плоские таблички, причудливые «ласточкины хвосты» и даже собранные в «розы пустыни» агрегаты. Всё это разнообразие обусловлено его сложной внутренней структурой. Однако до сих пор никто не наблюдал, чтобы гипс формировал сферические октаэдрические структуры.
Секретным ингредиентом, который помог совершить это превращение, стали наноалмазы. Но не обычные, а полученные по уникальной технологии гидродинамической кавитации. Эти частицы размером от 1 до 100 нанометров представляют собой идеальные сферы исключительной чистоты. Ученые добавили их в виде коллоидного раствора, то есть сверхмаленькие алмазы были равномерно распределены в воде, в гипсовое тесто.
Под электронным микроскопом открылась удивительная картина. Вместо привычных длинных и игольчатых кристаллов, между которыми много пустот, модифицированный гипс предстал в виде плотно упакованных сферических образований. Оказалось, что наноалмазы выступают в роли «семян» или «затравок» для кристаллизации. Частички гипса буквально наследуют форму наноалмазов, нарастая на них по принципу эпитаксии — так же, как один слой льда нарастает на другой, повторяя его структуру. Этот процесс, когда кристалл растет на подложке из другого материала, называется гетероэпитаксией, и для гипса он был подтвержден впервые.
Самое главное для строителей и производителей — это то, как новая структура повлияла на свойства материала. Плотная упаковка сферических кристаллов привела к увеличению прочности. Эксперименты показали, что со временем положительный эффект только усиливается. Например, у высокопрочного гипса марки Г-16 с добавкой наноалмазов прочность на изгиб через 45 суток выросла на впечатляющие 40% по сравнению с обычным гипсом.
Исследователи отмечают, что даже незначительное количество наномодификатора — всего 0,012% от массы вяжущего — вызывает столь кардинальные изменения. Они также выяснили, что существующая практика использования большого количества воды при затворении гипса маскирует часть потенциала нового материала. Предварительные опыты показывают, что при оптимизации рецептуры разница в прочности будет еще более существенной.
Это открытие открывает путь к созданию нового поколения гипсовых материалов с заданными и улучшенными свойствами. Управляя кристаллизацией с помощью наноалмазов, в будущем можно будет получать гипс, который не боится воды, обладает повышенной прочностью и долговечностью, что расширит его применение в строительстве и отделке. Ученые планируют продолжить исследования, чтобы определить оптимальные дозировки наномодификатора и изучить его влияние на другие характеристики гипсовых смесей.
Исследование опубликовано в журнале «Известия высших учебных заведений. Строительство»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
