麻省理工学院开发纳米炭黑导电发热水泥

混凝土非常有用，这就是为什么它是世界上使用最广泛的建筑材料的原因。但是可以说，它实际上并没有做任何事情。现在，工程师们通过掺入纳米碳黑来制造可以导电并产生热量的混凝土。

通常，混凝土是绝缘体，是抗电的，但是最近的研究集中在使其导电。向混合物中添加某种形式的碳通常可以解决问题，过去的版本正在自动融雪的机场跑道上进行测试。

对于这项新研究，麻省理工学院混凝土可持续发展中心（CSHub）和法国国家科学研究中心（CNRS）的研究人员向混凝土中添加了纳米碳黑，这是一种廉价的碳材料，具有出色的导电性。仅占体积的百分之四，混凝土就能够承载电流-结果，它也散发出热量。

使电流流过导电混凝土会使其升温

该研究的合著者尼古拉斯·尚努特（Nicolas Chanut）说："焦耳加热（或电阻加热）是由导体中移动的电子与原子之间的相互作用引起的。""电场中的加速电子每次与原子碰撞时都会交换动能，从而引起晶格中原子的振动，这表现为热量和材料中温度的升高。"

新型导电混凝土是通过混入少量纳米碳黑制成的

该论文的主要作者，麻省理工学院CSHub博士后南希·索利曼（Nancy Soliman）认为，这项研究有可能为一种已经很流行的建筑材料增加一个全新的维度。

她解释说："这是导电胶的一阶模型。""而且它将带来鼓励扩大此类[多功能]材料所需的[知识]。"

从纳米级到最新技术

在过去的几十年中，纳米碳材料因其独特的性能组合（其中最主要的是导电性）而激增。以前，科学家和工程师已经提出了一种材料的开发，如果将其掺入水泥和混凝土中，它们可以赋予水泥和混凝土导电性。

对于这项新工作，Soliman希望确保他们选择的纳米碳材料价格合理，足以大规模生产。她和她的同事们选择了纳米碳黑-一种具有出色电导率的廉价碳材料。他们发现他们对电导率的预测得到了证实。

索利曼说："混凝土自然是一种绝缘材料，但是当我们添加纳米碳黑颗粒时，它会从绝缘体变成导电材料。"

通过将纳米炭黑的混合量仅占混合物的4％，Soliman和她的同事发现它们可以达到渗滤阈值，即样品可以承受电流的点。

他们注意到，这股电流也有一个有趣的结果：它可能产生热量。这是由于所谓的焦耳效应。

论文的合著者，麻省理工学院CSHub博士后Nicolas Chanut解释说："焦耳加热（或电阻加热）是由导体中移动的电子与原子之间的相互作用引起的。"电场中的加速电子每次与原子碰撞时都会交换动能，从而引起晶格中原子的振动，这表现为热量和材料中温度的升高。"

在他们的实验中，他们发现即使是很小的电压（低至5伏）也可以将其样品的表面温度（大小约为5cm3）提高到41摄氏度（约100华氏度）。虽然标准热水器可能达到可比较的温度，但与传统的加热策略相比，考虑这种材料的实现方式非常重要。

"该技术可能是辐射室内地板采暖的理想选择，"Chanut解释道。通常，室内辐射采暖是通过使热水在地板下运行的管道中循环来完成的。但是，该系统的构建和维护可能具有挑战性。但是，当水泥本身成为加热元件时，加热系统将变得更易于安装且更可靠。此外，由于纳米粒子在材料中的良好分散，水泥提供了更均匀的热分布。"

纳米碳水泥在户外也可以有多种应用。Chanut和Soliman认为，如果在混凝土路面上使用，纳米碳水泥可以减轻耐久性，可持续性和安全性问题。这些问题大部分来自使用盐来除冰。

"在北美，我们看到很多雪。要清除道路上的积雪，需要使用除冰盐，这可能会损坏混凝土并污染地下水。"用于加盐道路的重型卡车也很重，而且运行成本高。

通过在路面上辐射加热，纳米碳水泥可用于在不增加道路盐分的情况下为路面除冰，潜在地节省了数百万美元的维修和运营成本，同时消除了对安全和环境的担忧。在某些情况下，保持特殊的路面状况至关重要（例如机场跑道），该技术可能会证明是特别有利的。

这项研究发表在"Physical Review Materials."杂志上。

本篇信息来源：国家建材技术图书馆

按体积计算，混凝土是地球上仅次于水使用最多的物质，这就是为什么任何可以改善它的措施都会带来重大影响。现在，研究人员正在试图利用纳米炭黑使其导电从而为其打开许多新的应用领域。

混凝土是我们人来用来建造城市的主要材料之一，但围绕它的大多数创新都集中在提高其承载性能、防止开裂、在固化过程中增加碳捕捉能力及使其生产更加环保。

然而麻省理工学院混凝土可持续性中心(CSHub)和法国国家科学研究中心(CRNS)的研究人员却试图为混凝土添加一个不同的特性：导电性。

在过去几年时间里，这两个机构一直在研究如何让混凝土适合于一些新的应用如加热、电磁屏蔽和能量存储。

研究人员通过将高导电性纳米炭材料（碳纳米纤维、纳米管、纳米炭黑和氧化石墨烯）引入到混合物中以制备出大量非均相水泥复合材料样品并观察其产生的电性能。

虽然这种类型的研究并不新鲜，但这项新研究的首席研究员NancySoliman指出，在这个项目中，一个主要的焦点是选择一种便宜且易于大规模生产的纳米碳材料。

混凝土本身就是一种绝缘体，但研究发现，通过在水泥混合物中加入体积为4%的纳米炭黑颗粒，得到的样品能拥有携带电流的能力。另外，纳米炭黑或纳米粉是一种无污染材料，其已被用于塑料、涂料、油墨、土壤肥料和电子产品。

另一个有趣的发现是，当施加低至5伏的电压可以将水泥样品的温度提高到41摄氏度。由于它能提供均匀的热量分布，这为室内地板采暖提供了可能，可以替代传统的辐射采暖系统。我们知道，传统系统安装困难且价格昂贵。这种导电性水泥还可以应用于室外如混凝土路面，以此来消除在除冰时使用盐的需要，因为盐除冰有一个弊端——会损坏混凝土。

本篇信息来源：Tech科技前沿