Ученые выяснили, как устроены сверхпрочные кристаллы в римском бетоне

МОСКВА, 20 июл – РИА Новости. Физики из Техаса выяснили, как устроены неразрушимые кристаллы внутри древнеримского цемента, их дальнейшее изучение поможет ученым восстановить "рецепт" изготовления бетона и даже улучшить его, говорится в статье, опубликованной в Scientific Reports.

"Помимо изучения общей структуры этих кристаллов, мы также выяснили, как они ведут себя при локализованной нагрузке, к примеру, при появлении нанотрещин и микроскопических вмятин. Если физические свойства кристаллов меняются после нанесения таких вмятин, то тогда их можно приспосабливать для  работы в конкретных условиях", — рассказывает Рузбех Шахсавари (Rouzbeh Shahsavari) из университета Райса в Хьюстоне (США). 

Древний Рим, как часто его критикуют многие искусствоведы и историки науки, не оставил за собой столь же богатое культурное наследие, как Древняя Греция, но зато древние римляне преуспели в двух практических дисциплинах — в правоведении, а также в архитектуре и строительстве. Древнеримские дороги, водопроводы, Пантеон, другие соборы и архитектурные сооружения простояли несколько тысяч лет и используются до сих пор.

Главным ноу-хау и чудом древнеримской строительной индустрии был "цемент", opus caementicium — прародитель современного бетона, из которого сложены многие акведуки, Колизей, портовые причалы, стены домов и других построек в Риме и других частях бывшего Pax Romana. В отличие от современного бетона, сложенного из цемента и щебня, его древнеримский тезка был заметно прочнее и не разваливался через несколько десятков лет после попадания воды.

Недавно химики из США выяснили, что ключевым ингредиентом этого стройматериала была морская вода, заставлявшая пепел, известь и другие компоненты цемента вступать в сложные химические реакции, порождавшие кристаллы тоберморита — сверхпрочного минерала, придающего древнеримскому цементу его удивительную прочность. 

Шахсавари и его коллега Лей Тао (Lei Tao) создали компьютерную модель этих кристаллов и выяснили, что тоберморит обладает невероятно высокой механической прочностью благодаря необычной слоистой структуре, помогающей ему выдерживать нагрузки и становиться еще прочнее при сжатии.

Расчеты показали, что тоберморит, по своей сути, является сложнейшим наноматериалом, состоящим из множества отдельных слоев молекул с разными свойствами, уложенных в своеобразные пирамиды. По-отдельности, каждый слой таких "пирамид" обладает достаточно скромной прочностью, однако их комбинация обладает кардинально иными механическими свойствами.

К примеру, если взять кристалл тоберморита и сжать его, часть слоев внутри него соединится друг с другом и он станет намного прочнее, чем раньше, так как слабые водородные связи, "склеивающие" слои, будут заменены на прочные ковалентные связи. 

Это необычное свойство тоберморита, как считают ученые, можно использовать для улучшения свойств современных марок цемента и для воссоздания его древнеримского прародителя со всеми его необычными качествами. Кроме того, аналогичную структуру могут иметь другие природные минералы, потенциально способные приносить пользу человеку в быту и в промышленности.