งานโยธาอาจแกร่งขึ้น ! สหรัฐฯ พัฒนาซีเมนต์ชนิดใหม่ เลียนแบบกระดูกคน ทนทานกว่าเดิม 5.6 เท่า

วิศวกรจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้สร้างวัสดุแบบใหม่เป็น "ซีเมนต์" ที่แข็งแกร่งขึ้นกว่าซีเมนต์แบบเดิม โดยได้เลียนแบบโครงสร้างจากกระดูกมนุษย์ วัสดุใหม่นี้ใช้ท่อเพื่อควบคุมการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว สามารถต้านทานความเสียหายได้มากขึ้น 5.6 เท่าโดยไม่ต้องเพิ่มวัสดุภายนอก ทำให้ทนต่อการแตกร้าวได้ดีขึ้นและป้องกันการพังทลายแบบฉับพลัน ซึ่งเป็นปัญหาทั่วไปของวัสดุที่ทำด้วยซีเมนต์แบบเดิม นวัตกรรมนี้อาจเข้ามาเป็นวัสดุใหม่เพื่อก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานทางโยธา และทำให้อาคารและสถาปัตยกรรมต่าง ๆ แข็งแกร่งขึ้น 

ภาพจาก Princeton University

ข้อจำกัดของวัสดุที่ใช้ในการก่อสร้าง

สำหรับวัสดุประเภท ซีเมนต์ จะเป็นสารเนื้อละเอียดเป็นผง ส่วนใหญ่ทำจากหินปูน ดินเหนียว และวัสดุอื่น ๆ เมื่อผสมกับน้ำจะเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เรียกว่าไฮเดรชั่น (Hydration) ทำให้ซีเมนต์แข็งตัวและยึดวัสดุอื่นเข้าด้วยกัน

ซึ่งปกติแล้วในงานโยธาต่าง ๆ วัสดุที่ใช้จะต้องมีความแข็งแกร่ง (Strength) เพื่อช่วยรับน้ำหนัก และต้องมีความเหนียวหรือความทนทาน (Toughness) เพื่อช่วยต้านทานการแตกร้าวในโครงสร้าง

แต่ข้อจำกัดของวัสดุก่อสร้างในปัจจุบันคือขาด "ความเหนียว" ดังนั้นเมื่อเริ่มเกิดความเสียหาย โครงสร้างก็มักจะพังทลายลงอย่างฉับพลัน ทั้งนี้โดยปกติแล้วเมื่อซีเมนต์แบบดั้งเดิมต้องการให้มีความเหนียวมากขึ้น มักจะมีการเพิ่มเส้นใยหรือพลาสติกเข้าไป แต่แนวทางใหม่ในงานวิจัยชิ้นนี้จะอาศัยการออกแบบทางเรขาคณิตเพื่อปรับโครงสร้างของวัสดุ จึงทำให้วัสดุเหนียวขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้วัสดุเพิ่ม 

การพัฒนาวัสดุใหม่ เลียนแบบกระดูกมนุษย์

กุญแจสำคัญในการพัฒนาครั้งนี้คือการออกแบบโครงสร้างภายในของวัสดุให้มีความสมดุลระหว่างความเค้นที่ด้านหน้าของรอยแตก กับการตอบสนองเชิงกลโดยรวม โดยใช้หลักการทางทฤษฎีของกลศาสตร์การแตกหักและกลศาสตร์ทางสถิติเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุซีเมนต์แบบใหม่ 

ส่วนแรงบันดาลใจในการพัฒนา ได้มาจากโครงสร้างของกระดูกชนิดเนื้อแน่นของมนุษย์ (Human Cortical Bone) ซึ่งเป็นกระดูกชั้นนอกที่มีความหนาแน่นสูง เช่น กระดูกโคนขา กระดูกชั้นนอกนี้มีความสำคัญเนื่องจากให้ทั้งความแข็งแรง และต้านทานการแตกหัก 

ซึ่งกระดูกชั้นนอกนี้มีโครงสร้างที่เรียกว่าออสเทียน (Osteon) เป็นส่วนประกอบเล็ก ๆ คล้ายท่อ เรียงตัวกันเป็นรูปวงรี มีวัสดุอินทรีย์แบบนุ่มล้อมรอบพวกมัน ซึ่งโครงสร้างของกระดูกชั้นนอกแบบนี้จะช่วยสะท้อนรอยแตกรอบ ๆ ออสเทียน ป้องกันไม่ให้เกิดการแตกหักอย่างฉับพลัน รวมถึงมีการแพร่กระจายรอยแตกร้าว ทำให้เป็นการเพิ่มความต้านทานโดยรวมด้วย

Shashank Gupta และ Reza Moini ที่มา Onlinelibrary

วัสดุใหม่ ป้องกันรอยแตกและทำให้อาคารพังทลายยากขึ้น

นักวิจัยได้ออกแบบโครงสร้างที่มีลักษณะคล้ายท่อที่เลียนแบบมาจากกระดูกมนุษย์นี้ เข้าไปในซีเมนต์เพสต์ (Cement Paste) หรือซีเมนต์ที่ผสมกับน้ำแล้วกลายเป็นของเหลวหนืด ผลลัพธ์พบว่าช่วยให้เกิดกลไกการเสริมความแกร่งแบบเป็นขั้นตอน (Stepwise Toughening Mechanism) คือเมื่อเกิดรอยแตกร้าว มันจะถูกท่อดักไว้ พลังงานที่อาจทำให้เกิดรอยแตกขยายเพิ่มก็จะถูกดูดซับไว้ รอยแตกจึงแพร่กระจายไปได้ช้า และลดการเกิดการพังทลายอย่างฉับพลันของโครงสร้าง ซึ่งนอกจากสามารถลดการแพร่กระจายของรอยแตกได้อย่างมีนัยสำคัญ ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการเปลี่ยนรูปได้มากขึ้น ทำให้ยากมากขึ้นที่อาคารจะพังทลายลงอย่างฉับพลัน

งานวิจัยนี้นำโดย เรซา โมอินี (Reza Moini) ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อม และ ชาแชงค์ กุปตะ (Shashank Gupta) นักศึกษาปริญญาเอกปีที่ 3 ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Materials ฉบับวันที่ 10 กันยายน 2024 นักวิจัยหวังว่าจะสามารถขยายแนวทางพัฒนานี้เพื่อสร้างวัสดุที่นำไปใช้ในสถาปัตยกรรมต่าง ๆ ได้อย่างกว้างขวาง แต่นักวิจัยก็ยอมรับว่าเพิ่งเริ่มสำรวจความเป็นไปได้เท่านั้น ยังมีตัวแปรอีกมากที่ต้องศึกษา แต่เมื่อศึกษาเพิ่มเติมเพียงพอ คาดว่าอาจนำไปประยุกต์ใช้กับวัสดุเปราะบางอื่น ๆ เพื่อสร้างโครงสร้างที่ทนทานต่อความเสียหายได้มากยิ่งขึ้น

ที่มาข้อมูล ScitechDaily, Onlinelibrary, Engineering.princeton.edu

ที่มารูปภาพ Engineering.princeton.edu