既能導電又能加熱,麻省理工多功能混凝土 5 分鐘加熱 40 度

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 22 日 15:03 | 分類 尖端科技 , 材料 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


一般的混凝土是不會導電的,自然是種絕緣材料,不過可因應不同需求與應用,添加不同的材料來達到不一樣的效果。美國麻省理工便透過奈米碳黑(nanocarbon black),研發出可導電並發熱的多功能混凝土,可應用在室內加溫,創造新的材料革命。

過去十幾年來,奈米碳材料得益於優秀的電導率應用激增,科學家與工程師們藉此開發出許多特殊複合材料,並用在生醫、催化劑、電化學等領域,除此之外,也有提出添入水泥或混凝土中,賦予常見建材不同的功能。

這次美國麻省理工混凝土永續中心(Concrete Sustainability Hub,CSHub)與法國國家科學研究中心(CNRS)攜手合作,選用較為便宜的奈米碳黑(nanocarbon black)材料加工混凝土一番,博士後兼論文主要作者 Nancy Soliman 表示,想當然爾,混凝土是種絕緣材料,但添加奈米碳黑之後,可化身成導電材料。

在這項跨國研究中,團隊還發現這款新型的奈米碳黑混凝土還有另一種功能,在混凝土加入 4% 的奈米碳黑後,測得滲透門檻現象(percolation threshold),電子能從材料的一端貫穿抵達另一端,同時也會出現焦耳加熱現象,也就是電流通時震動導體內部原子、促使溫升情形。

實驗指出,即使是低至 5V 的電壓,也可以將 5 立方公分材料的表面溫度提高到攝氏 41 度,雖然以加熱效果來說,還是標準的熱水器優勝,但這項技術還有其他應用,共同作者 Nicolas Chanut 表示,這將是優良的地暖系統,通常地暖系統都是透過底下的熱水管幫地板加溫,當水泥除了地板還有加溫功用後,不僅能一石二鳥,更何況奈米顆粒可以在水泥中均勻分布,加熱更均勻。

除此之外也能用在道路除冰,可以省下大量的鹽,跟省下運輸大量鹽的金錢與時間成本。

但實務上也沒有那麼簡單,如果沒辦法將奈米顆粒對準水泥中的功能電路(functioning circuit、體積接線 volumetric wiring)就沒辦法善加利用材料的電導性。團隊在該研究引入全新的曲折率(tortuosity)概念,CSHub 教職顧問 Franz-Josef Ulm 表示,通常這個概念用於表示離子如何流動,如今我們用它來描述電子在體積接線的流動。

團隊以兩點之間的移動來說明曲折率概念,如果直線飛行短短幾公里即可抵達,所需時間也更少,但若是走平面道路,實際行駛的距離將更長、所需時間也更久,團隊指出,在水泥中流動的電子也是如此,總是要「走」比較遠的路,而曲折率便是比直線路徑更長的程度。

因此必須要平衡奈米碳黑的數量和擴散程度,如果過於分散,電子就得走更長的路,可若沒有足夠的碳,那麼曲折率也會太高而降低導電度,碳過於密集也會適得其反,Ulm 表示,團隊透過微調碳的體積,曲折率已達 2,電子採用的路徑僅為樣品長度的兩倍,這代表多功能水泥是可行的,也有機會量產。

(首圖來源:MIT CSHub