Çimentodan lal elde etme tarifi ve bu simya değil

Portland klinkeri, çimentonun temeli, bol ve ucuz, muhtemelen dünyada en çok üretilen işlenmiş malzemedir. Laboratuarda yapay elmasın grafitten elde edilmesine benzer şekilde basınç ve sıcaklık uygulayarak granata dönüştürdük.

Süreç, bildiğimiz şekliyle malzemelerde devrim yaratan öncü teknolojilerde bir başka atılımdır. Simyacı veya sihirbaz değiliz: bilimin ilerlemesinin tek büyüsüyle çimentoyu lal taşı haline getiriyoruz.

Bu nasıl mümkün olaiblir? İlk bileşimlerdeki hafif mineralojik varyasyonlar, hem nihai mineralojik bileşimde hem de malzemenin morfolojisinde ciddi değişiklikler üretebilir. Böylece laboratuvarda 50 megapaskal gibi düşük basınçlar uygulayarak yapay lal taşı elde etmeyi başardık. Doğada bunların oluşması için çok daha yüksek basınçlar gerekir.

Kireçtaşı ve kilden

Portland klinkeri, çimentonun yapıldığı hammaddedir. Doğada çok bol bulunan ve ucuz olan kireçtaşı ve kil karışımına ısı uygulanarak elde edilen seramik malzemedir.

Bir kere klinkerize Aralarında esas olarak silikatlar (dikalsiyum ve trikalsiyum silikat), trikalsiyum alüminat ve tetrakalsiyum ferrit-alüminat bulunan seramik bileşenlerin bir karışımı elde edilir. Dönüştürüldükten sonra, inşaatta kullanılan ana malzeme olan hidrolik çimento elde etmek için sıva ve başka bir katkı maddesi ile karıştırılmalıdır. Klinker üretim süreci çok büyük: dünya çapında yılda 4 milyar tondan fazla. Muhtemelen dünya yüzünde en çok üretilen işlenmiş malzemedir.

Bol ve ucuz olan klinkerin ton fiyatı 60 avroya yakın.

Garnet: nar rengindeki mücevher

Granat yarı değerli bir taştır ve kimyası çok karmaşıktır. Adını nar olarak bilinen meyvenin tanelerine benzer bir renge sahip olmasından alır. Kuyumculukta ve ayrıca aşındırıcı olarak kullanılır. Granat kuvarstan daha serttir. Diğer değerli veya yarı değerli taşlar kadar kıt değildir (yılda 400.000 tondan fazla üretilir), ancak klinkerin altı katı piyasa değerine sahiptir.

Granatın bileşimi silikatlara dayalıdır, ancak klinkerden çok daha karmaşıktır ve farklı bir kristal yapıya sahiptir.

Klinkeri granata dönüştürmek neredeyse 30 yıllık bir araştırma çalışması gerektirdi ve gerçekten önemli bir şeyin altının çizilmesi gerekiyor: aradığımız şey bu değildi.

bir başlangıç ​​noktası

1995’te Seramik Derneği Bülteni’nde, bu ucuz hammadde olan klinkerin geleneksel bir yöntem olan tek eksenli presleme ve sinterleme kullanılarak yapısal seramik üretiminde kullanılmasının fizibilitesini inceleyen bir makale yayınladık. Bu çalışma, elde edilen seramiğin dayanıklı olmasının yanı sıra oldukça güvenilir ve tekrar üretilebilir olduğunu gösteren çıkış noktasıydı.

Elde edilen malzemenin rekabet edebilecek mekanik özelliklere sahip olduğunu zaten biliyorduk ve bu fikir bazı ilginç çalışmalara yol açtı, ancak herhangi bir endüstriyel uygulamaya dönüşmedi.

Neredeyse otuz yıl sonra, iki araştırma grubu, IMDEA Materials Institute ve Madrid Materials Science Institute (ICMM-CSIC) liderliğindeki ortak bir çalışma (UC3M, UPM, CINN-CSIC, Universidad Europea ve Inop-Poznan arasında), adı verilen gelişmiş bir sinterleme tekniği kullanan malzeme Kıvılcım Plazma Sinterleme.

basınç ve sıcaklık

bu Kıvılcım Plazma Sinterleme Basınç ve sıcaklığı aynı anda kullanan bir teknolojidir. Sıcaklık artışı, darbeli bir akımın klinker tozu içinden geçmesi sayesinde elde edilir.

Elektrik Alan Destekli Sinterleme (SPS) ekipmanı ticari olarak mevcuttur ve artık laboratuvar araştırma çalışmaları ile sınırlı değildir. Termoelektrik yarı iletkenler, gradyan fonksiyonlu malzemeler, biyomedikal implantlar, türbin kanatları veya roket nozulları gibi ürünler bu ekipman kullanılarak endüstriyel olarak üretilebilir.

Seramiklerle daha geleneksel teknikler kullanılarak sonuçlar umut verici olsaydı, SPS kullanılarak bunların iyileştirilebileceği beklenebilirdi. Öyleydi. Ancak buna ek olarak, beklenmedik bir şey elde ettik: yarı değerli bir taş olan garnet ile aynı özelliklere sahip bir malzeme. Bilimdeki diğer birçok zaman gibi şans eseri bir kez daha bizi şaşırttı.

Ceramics International’da yayınlanan ortak çalışma, çok yüksek olmayan basınç ve sıcaklıklarla konsolide edilen bu malzemenin kısmen granata dönüşebileceğini gösteriyor.

Garnet elde etmek için tarif

Sadece birkaç düzine MPa basınca eş zamanlı olarak uygulanan birkaç yüz derecelik sıcaklık artışı işe yaradı. mucize iddiasız bir malzemenin, insanların Tunç Çağı’ndan beri kullandığı yarı değerli bir malzeme olan granata dönüşmesi.

Sinterleme sıcaklıklarında, katı bir ağ içinde soğuduktan sonra yüksek basınç bölgeleri haline gelen sıvı boşluklar oluşturulur. Bu şekilde, bazı yerel alanlarda basınç önemli ölçüde artırılır ve mucize.

Yapay elmasların grafitten nasıl elde edildiğine benzer bir şekilde (bunun için yüksek sıcaklıklar ve birçok GPa basıncın aynı anda uygulanması gerekir), ancak endüstriyel olarak çok daha erişilebilir basınç ve sıcaklıklar kullanılarak Portland klinkerini granata dönüştürmek mümkündür.

Malzeme bilimi, halihazırda keşfedilmiş rotaları inceleyerek ve hammadde olarak bol ve ucuz olan malzemelere değer katmak için mevcut teknolojik sıçramalardan yararlanarak yolunu açıyor. Çimentodan granata. İmkansız görünüyor, değil mi?