未来の材料: グラフェンとコンクリート

人口増加と急速な都市化により、建設業界は成長しています。 しかし、二酸化炭素排出量、特にセメントベースの製品に関連する排出量を削減するには大きなハードルにも直面しています。 従来のコンクリートとモルタルを結合するために使用されるセメントを製造する際、石灰石やその他の材料は摂氏約 1,480 度まで加熱されます。 このプロセスにより、大量の二酸化炭素が大気中に放出されます。 建設業界を国に例えると、排出量では米国、中国に次いで第3位となる。

グラフェンをコンクリートに統合することにより、エンジニアや建築家は、従来のコンクリートと同じ構造性能を達成しながら、より少ない材料で済む構造を作成できます。 グラフェン強化コンクリートは、標準コンクリートに比べて強度が 2.5 倍、透水性が 4 倍低いです。 必要な強度を実現するために使用するセメントの量を大幅に削減します。 その結果、CO2排出量を30％削減できる見込みです。

2022 年 3 月、グラフェンのフラッグシップ パートナーである Versarien は、Cementene™ として商標登録された、グラフェン強化混和剤を使用した世界初の 3D プリント構造を発表しました。 その後、2022 年 9 月に、同社はデザイナーのステュアート・パドウィックと共同で作成し、デザイン・ロンドンで発表した低炭素アートワーク「アイランド・ステップス」を発表しました。

アイランド ステップスはセメントを使用せずに建設されました。 代わりに、建設に使用されるモルタルの強度と耐久性を高めるためにセメンテン™ が利用されました。 これにより、現場または現場外で簡単に構築し、目的の場所に輸送できる堅牢な中空構造が実現しました。

研究者らは強度だけでなく、グラフェンの導電性を利用して、ケーブルなしで加熱できる壁、壁紙、床を作ろうとしている。 2019年、セメントメーカーのイタルセメンティは、スペインのバルセロナで開催された2019年モバイル・ワールド・コングレスで多層床のモックアップを展示した。 これには、グラフェンとセメント質の複合材料の層と、下地床、ポリスチレン断熱材、コンクリートスラブ、床材モルタル、セラミックタイルが含まれていました。

スマート コンクリートは、新世代のスマート ビルディングの先駆けとなる可能性があります。 グラフェンの導電性と熱特性のおかげで、スマート センサーを表面全体に配置して、土木インフラ内の応力、変形、温度、湿度をリアルタイムで監視し、構造の完全性が破損に近い場合に警告信号を提供することができます。

グラフェンコンクリートの熱と電気伝導性は、他の潜在的な用途を刺激します。 これは、空港の滑走路、屋根、道路の除氷に役立ち、よりコスト効率の高い電気自動車のワイヤレス充電、静電気防止床、電磁干渉 (EMI) シールドにつながる可能性があります。

グラフェン添加剤は、セラミックマトリックスの耐摩耗性、熱品質、耐亀裂性、導電性を向上させる重要なフィラーです。

FLAG-ERA Joint Transnational Call 2017 を通じて資金提供されたグラフェン フラッグシップ パートナー プロジェクト CERANEA は、グラフェン、六方晶窒化ホウ素 (hBN) またはその他の層状材料を含む積層体、および窒化ケイ素、シリコンなどのセラミックで作られた材料の特性を調査しました。カーバイドとジルコニア。 これらの材料は、現在のセラミックよりも電気アークによる損傷に対する耐性が高いため、接点やスイッチの長期耐久性のコーティングとして使用できます。

さらに、グラフェン、窒化ケイ素、または窒化ケイ素とジルコニアを含む複合材料は、整形外科における新しい生物医学インプラントとして研究されています。 セラミックスとグラフェンの複合材料中のグラフェンの量を変えると、天然の骨の自然な形態を模倣するさまざまな気孔率が得られます。

参考文献:

ローラーディスコ vs 気候変動: グラフェンが建設業界をどのように変革するか https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change--how-graphene-is-transforming-the-建設業/

Versarien「建設部門向けグラフェン」ホワイトペーパー 2021 https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf

3D プリントされたアイランド ステップの詳細。Versarien の商標登録製品 Cementene で構築されています。

イタルセメンティのモバイル ワールド コングレス多層フロアのモックアップは、導電性グラフェンを展示しています。

サイエンス ライター兼「グラフェンの多様性」イニシアチブのコーディネーター。

3D プリントされたアイランド ステップの詳細。Versarien の商標登録製品 Cementene で構築されています。

イタルセメンティのモバイル ワールド コングレス多層フロアのモックアップは、導電性グラフェンを展示しています。

サイエンス ライター兼「グラフェンの多様性」イニシアチブのコーディネーター。