Insinyur Princeton Mengembangkan Semen Baru yang 17x Lebih Tahan Retak

Insinyur di Princeton telah mengembangkan komposit semen yang terinspirasi dari nacre, atau induk mutiara, yang membuatnya 17 kali lebih tahan retak dan 19 kali lebih lentur daripada semen standar. Komposit yang terinspirasi dari bio ini, yang dibuat dengan mengganti lapisan pasta semen dan polimer, dapat meningkatkan daya tahan berbagai bahan keramik yang rapuh. Eksperimen menunjukkan bahwa balok dengan pill heksagonal yang terpisah menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam keuletan dan ketahanan retak. Meskipun temuannya menjanjikan, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menerapkan teknik ini di lapangan dan pada bahan keramik lainnya. Kredit: Sameer Khan/Fotobuddy

Insinyur Princeton mengembangkan komposit semen baru yang terinspirasi oleh nacre cangkang, yang secara signifikan meningkatkan daya tahan dan fleksibilitasnya.

Para insinyur di Universitas Princeton, yang terinspirasi dari bahan-bahan yang ditemukan dalam cangkang tiram dan abalon, telah mengembangkan komposit semen baru. Bahan inovatif ini 17 kali lebih tahan terhadap keretakan dan 19 kali lebih fleksibel dan dapat dideformasi tanpa pecah dibandingkan dengan semen tradisional. Terobosan ini dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan terhadap keretakan berbagai bahan keramik yang rapuh, mulai dari beton hingga porselen.

“Jika kita dapat merekayasa beton agar tahan terhadap perambatan retak, kita dapat membuatnya lebih kuat, lebih aman, dan lebih tahan lama,” kata peneliti Shashank Gupta, mahasiswa pascasarjana di laboratorium Reza Moini di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan.

Dalam sebuah artikel yang diterbitkan pada tanggal 10 Juni di jurnal Bahan Fungsional Lanjutantim peneliti yang dipimpin oleh Moini, asisten profesor teknik sipil dan lingkungan, melaporkan bahwa pembuatan lapisan bergantian antara pasta semen tabulasi dan polimer tipis dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan retak dan kemampuan untuk berubah bentuk tanpa putus sepenuhnya (duktilitas).

Desain dan Pengujian yang Terinspirasi oleh Biologi

Laboratorium Moini sering kali mencari inspirasi dari biologi dalam karyanya tentang bahan bangunan. Dalam kasus ini, tim mengembangkan komposit yang terinspirasi oleh bahan alami yang disebut nacre, atau induk mutiara, yang ditemukan di dalam cangkang tertentu. Gupta mengatakan bahwa pada tingkat mikroskopis, nacre terdiri dari pill heksagonal dari mineral keras aragonit yang direkatkan oleh biopolimer lunak.

Pill aragonit memberikan kontribusi yang signifikan terhadap kekuatan nacre, sementara biopolimer menambah fleksibilitas dan ketahanan terhadap retak. Mekanisme pengerasan melibatkan pill aragonit yang meluncur di bawah tekanan, yang, bersama dengan mekanisme lainnya, memungkinkan nacre untuk menghilangkan energi. Tindakan meluncur ini, dikombinasikan dengan defleksi retak dan deformasi biopolimer, memungkinkan nacre untuk menahan tekanan mekanis yang substansial sambil mempertahankan integritas strukturalnya, menjadikannya kuat dan tangguh.

Para peneliti menciptakan balok dengan lapisan-lapisan ubin semen heksagonal dan polimer tipis yang berselang-seling. Kredit: Sameer Khan/Fotobuddy

“Sinergi antara komponen keras dan lunak ini sangat penting bagi sifat mekanis nacre yang luar biasa,” kata Gupta.

Tim Princeton telah mengembangkan komposit inovatif yang terinspirasi oleh nacre, memanfaatkan bahan konstruksi konvensional seperti pasta semen Portland yang dikombinasikan dengan sejumlah kecil polimer. Mereka mengganti lapisan lembaran pasta semen dengan polimer yang sangat elastis, polivinil siloksan. Para peneliti menciptakan balok-balok kecil berlapis-lapis dengan mengganti lembaran pasta semen dengan lapisan tipis polimer. Balok-balok ini kemudian menjalani uji tekuk tiga titik, di mana setiap balok diuji di bawah lenturan untuk mengevaluasi ketahanan retak (atau ketangguhan fraktur).

Hasil Eksperimen dan Pengamatan

Dalam percobaan tersebut, para peneliti menghasilkan tiga jenis balok. Jenis pertama terdiri dari lapisan-lapisan pasta semen dan polimer tipis yang berselang-seling. Untuk jenis kedua, mereka menggunakan laser untuk mengukir alur heksagonal ke dalam lembaran pasta semen. Lembaran-lembaran beralur ini kemudian ditumpuk dengan lapisan polimer tipis di antaranya. Jenis ketiga serupa dengan yang ketiga, tetapi para peneliti memotong semen sepenuhnya, menciptakan pill heksagonal terpisah yang dihubungkan oleh lapisan polimer. Pill pasta semen ini terletak di atas lapisan polimer mirip dengan bagaimana aragonit terletak pada lapisan biopolimer dalam nacre. Ketiga jenis ini dibandingkan dengan padanan pasta semen cor padat (monolitik) referensi.

Percobaan tersebut mengungkap bahwa kegagalan balok acuan bersifat getas — yang berarti balok tersebut patah secara tiba-tiba dan menyeluruh setelah mencapai titik kegagalannya, tanpa daktilitas. Balok dengan lapisan yang berselang-seling, baik yang beralur maupun tidak beralur, menunjukkan peningkatan daktilitas dan ketahanan terhadap retak.

Hasil yang paling signifikan diamati pada balok dengan pill heksagonal yang terpisah sepenuhnya, yang mirip dengan nacre. Balok ini menunjukkan 19 kali keuletan dan 17 kali ketangguhan patah sambil mempertahankan kekuatan yang hampir sama dengan balok pasta semen padat.

“Pendekatan kami yang terinspirasi dari biologi bukan hanya meniru struktur mikro alam, tetapi juga belajar dari prinsip-prinsip yang mendasarinya dan menggunakannya untuk menginformasikan rekayasa materials buatan manusia. Salah satu mekanisme utama yang membuat cangkang nacreous menjadi kuat adalah pergeseran pill pada tingkat nanometer. Di sini, kami fokus pada mekanisme pergeseran pill dengan merekayasa struktur tabulasi bawaan pasta semen yang seimbang dengan sifat polimer dan antarmuka di antara keduanya.” Kata Moini. “Dengan kata lain, kami sengaja merekayasa cacat pada materials yang rapuh sebagai cara untuk membuatnya lebih kuat berdasarkan desain.“

Para peneliti mencatat bahwa temuan tersebut didasarkan pada kondisi laboratorium dan bahwa diperlukan kerja keras dan penelitian tambahan untuk mengembangkan teknik yang dapat digunakan di lapangan. Mereka berupaya untuk menentukan apakah ketahanan retak dan keuletan struktur tersebut berlaku untuk bahan keramik lain selain pasta semen, seperti beton.

“Kami baru menggarap permukaannya; akan ada banyak kemungkinan desain untuk mengeksplorasi dan merekayasa sifat-sifat materials keras dan lunak yang konstitutif, antarmuka, dan aspek geometris yang berperan dalam efek ukuran basic pada materials konstruksi,” kata Moini.

Referensi: “Komposit Semen Nacre-Like yang Kuat dan Ductile” oleh Shashank Gupta, Hadi S. Esmaeeli dan Reza Moini, 10 Juni 2024, Bahan Fungsional Lanjutan.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1002/adfm.202313516

Proyek ini didanai sebagian oleh Nationwide Science Basis CAREER Award #2238992 melalui program Engineering for Civil Infrastructure.