Semen Elektrifikasi Dengan Nanocarbon Black: Semen Yang Menghantarkan Listrik dan Menghasilkan Panas

Nicolas Chanut and Nancy Soliman

Kolaborasi antara MIT dan CNRS telah menghasilkan semen yang menghantarkan listrik dan menghasilkan panas.

Sejak penemuannya beberapa milenium yang lalu, beton telah menjadi alat untuk kemajuan peradaban, menemukan penggunaan dalam aplikasi konstruksi yang tak terhitung jumlahnya — dari jembatan hingga bangunan. Namun, terlepas dari inovasi selama berabad-abad, fungsinya tetap terutama struktural.TerasKaltim

Upaya bertahun-tahun oleh para peneliti MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), bekerja sama dengan Pusat Penelitian Ilmiah Nasional Prancis (CNRS), telah bertujuan untuk mengubah itu. Kolaborasi mereka berjanji untuk membuat beton lebih berkelanjutan dengan menambahkan fungsionalitas 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 yang sangat konduktif ke dalam campuran semen. Dalam sebuah makalah di Bahan Tinjauan Fisik, mereka memvalidasi pendekatan ini sambil menyajikan parameter yang menentukan konduktivitas material.

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

“Ini adalah model semen konduktif orde pertama,” jelasnya. “Dan itu akan membawa [pengetahuan] yang dibutuhkan untuk mendorong peningkatan jenis bahan [multifungsi] ini.”
Dari skala nano hingga yang canggih

Selama beberapa dekade terakhir, bahan nanokarbon telah berkembang biak karena kombinasi sifat yang unik, terutama konduktivitas. Para ilmuwan dan insinyur sebelumnya telah mengusulkan pengembangan bahan yang dapat memberikan konduktivitas pada semen dan beton jika digabungkan di dalamnya.

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

“Beton secara alami merupakan bahan isolasi,” kata Soliman, “Tetapi ketika kita menambahkan partikel hitam nanokarbon, ia bergerak dari isolator menjadi bahan konduktif.”
Semen yang Didoping Nanokarbon

Dengan mengalirkan arus melalui sampel mortar yang dibuat dengan semen nanokarbon ini, Chanut dan Soliman dapat menghangatkannya hingga 115 F (lihat tampilan termometer di sebelah kanan). Kredit: Andrew Logan

Dengan memasukkan nanokarbon hitam hanya pada volume 4 persen dari 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 (atau pemanasan resistif) disebabkan oleh interaksi antara elektron yang bergerak dan atom dalam konduktor, jelas Nicolas Chanut, rekan penulis makalah dan postdoc di MIT CSHub. “Elektron yang dipercepat dalam medan listrik bertukar energi kinetik setiap kali mereka bertabrakan dengan atom, menginduksi getaran atom dalam kisi, yang bermanifestasi sebagai panas dan kenaikan suhu dalam material.”

Dalam percobaan mereka, mereka menemukan bahwa bahkan tegangan kecil – serendah 5 volt – dapat meningkatkan suhu permukaan sampel mereka (berukuran sekitar 5 cm3) hingga 41 derajat Celcius (sekitar 100 derajat Fahrenheit). Sementara pemanas air standar mungkin mencapai suhu yang sebanding, penting untuk mempertimbangkan bagaimana bahan ini akan diterapkan jika dibandingkan dengan strategi pemanasan konvensional.

“Teknologi ini bisa ideal untuk pemanas lantai dalam ruangan yang bercahaya,” jelas Chanut. “Biasanya, pemanasan pancaran dalam ruangan dilakukan dengan mensirkulasikan air panas dalam pipa yang mengalir di bawah lantai. Tetapi sistem ini dapat menjadi tantangan untuk dibangun dan dipelihara. Namun, ketika semen itu sendiri menjadi elemen pemanas, sistem pemanas menjadi lebih sederhana untuk dipasang dan lebih andal. Selain itu, semen menawarkan distribusi panas yang lebih homogen karena dispersi nanopartikel yang sangat baik dalam material.”
Sifat Mekanik Semen Elektrifikasi

Para peneliti menguji sifat mekanik sampel mereka dengan menggunakan tes awal. Hasil pengujian dapat dilihat pada permukaan sampel. Kredit: Andrew Logan

Semen nanokarbon juga dapat memiliki berbagai aplikasi di luar ruangan. Chanut dan Soliman percaya bahwa jika diterapkan di perkerasan beton, semen nanokarbon dapat mengurangi masalah daya tahan, keberlanjutan, dan keamanan. Sebagian besar kekhawatiran itu berasal dari penggunaan garam untuk menghilangkan lapisan es.

“Di Amerika Utara, kami melihat banyak salju. Untuk menghilangkan salju ini dari jalan kami membutuhkan penggunaan garam de-icing, yang dapat merusak beton, dan mencemari air tanah, ”catatan Soliman. Truk heavy-duty yang digunakan untuk mengasinkan jalan juga merupakan penghasil emisi berat dan exp

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>