有望量产！科学家打造出能导电和发热的水泥，只需按比添加纳米炭黑即可

麻省理工学院混凝土可持续发展中心(CSHub)与法国国家科学研究中心(CNRS)合作多年，终于与近期成功打造出了一种能导电和发热的水泥。

这一研究成果通过增加新的功能，即电子导电性，使混凝土更加可持续。

他们的方法依赖于在水泥混合物中引入高导电性纳米碳材料。在《物理评论材料》（Physical Review Materials）的一篇论文中，他们验证了这种方法，同时给出了决定材料导电性的参数。

这篇论文的第一作者、麻省理工学院CSHub博士后南希·索利曼(Nancy Soliman)认为，这项研究有可能为已经流行的建筑材料增加一个全新的维度。

Nancy Soliman希望确保他们选择的纳米碳材料足够便宜，能够大规模生产。她和她的同事们最终选择了纳米炭黑（nanocarbon black）——一种具有优良导电性的廉价碳材料。当他们加入纳米炭黑颗粒时，水泥就从绝缘体变成了导电材料。只要在混合物中4%的体积中加入纳米炭黑，就可以达到渗透阈值。

而且它还可以产生热量。这是由于所谓的“焦耳效应”。焦耳热(或电阻热)是由导体中移动的电子和原子之间的相互作用引起的。“每次与原子碰撞时，电场中的加速电子交换动能，引发晶格中原子的振动，表现为材料发热和温度升高。”

在他们的实验中，他们发现即使是很小的电压——低至5伏——也能使样品的表面温度(大约5立方厘米大小)上升到41摄氏度(大约100华氏度)。

该论文的合著者、麻省理工学院CSHub博士后Nicolas Chanut解释说，这项技术还有望成为室内地板辐射供暖的理想选择：“当水泥本身成为加热元件时，加热系统就变得更容易安装和更可靠。此外，由于纳米颗粒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有多种应用。Chanut和Soliman认为，如果将纳米碳水泥应用于混凝土路面，可以减轻耐久性、可持续性和安全问题，节省数百万美元的维修和运营成本。这些担忧大多源于以往使用盐来路面除冰的惯例——这会破坏混凝土，并污染地下水。

但研发过程中他们也遇到了挑战，例如需要在水泥中将纳米颗粒排列成一个有效的电路(即体积布线)，从而利用它们的导电性。为了保证理想的体积布线，研究人员研究了一种称为“弯曲”的特性——达到最佳的弯曲度，意味着平衡碳的数量和分散。

CSHub的教师顾问弗兰兹-约瑟夫·乌尔姆（Franz-Josef Ulm）表示，他们发现，通过微调碳的体积，就可以得到弯曲度为2的值。“这意味着电子经过的路径只有样本长度的两倍。”

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考来源：https://scitechdaily.com/electrifying-cement-with-nanocarbon-black-cement-that-conducts-electricity-and-generates-heat/

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.125401

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