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「分子マジックテープ」セメント、数時間以内にひび割れを修復しコンクリートの長寿命化へ(New “Molecular Velcro” Cement Heals Cracks Within Hours—and Could Help Concrete Last Far Longer)

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2026-09-02 パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)

米国エネルギー省パシフィック・ノースウェスト国立研究所(PNNL)の研究チームは、微量のポリマーを添加することで、ひび割れを自己修復できるセメントを開発した。ポリマーの添加量は0.15%未満で、ひび割れが生じると材料内部のポリマーが破断面へ移動し、セメント表面と可逆的な化学結合を形成する。この「分子ベルクロ(molecular Velcro)」機構により、約2 mm深の亀裂を約4時間で封鎖し、繰り返し損傷を受けても強度を回復できることを確認した。実験では5年間にわたり繰り返し損傷させた試験体でも自己修復性が観察されている。ひび割れへの水や塩分の侵入を抑制することで、道路・橋梁などの土木インフラだけでなく、地熱井やエネルギー関連の坑井に用いるセメントの耐久性向上が期待される。特に地熱井ではセメントの健全性が重要であり、自己修復機能によって点検・補修頻度を減らし、インフラの長寿命化と信頼性向上につなげることが期待されている。

「分子マジックテープ」セメント、数時間以内にひび割れを修復しコンクリートの長寿命化へ(New “Molecular Velcro” Cement Heals Cracks Within Hours—and Could Help Concrete Last Far Longer)
PNNL scientists are adding polymers to cement, creating self-healing and re-adhering properties that extend its lifetime and reduce the risk of failure. (Photo by Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory)

<関連情報>

分子ベルクロ式自己修復セメント A molecular velcro self-healing cement

Chao Zeng,Zihao Li,Trent R. Graham,Manh Thuong Nguyen,Robert G. Felsted,Xiaoxu Li,William B. Chrisler,Tamas Varga,Lan Li,Quin R. S. Miller & Carlos A. Fernandez
Nature Communications  Published:01 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-76061-x

Abstract

Cracking fundamentally limits the durability of cementitious materials, while most self-healing strategies rely on encapsulated agents or high additive loadings that restrict repeatability, scalability, or mechanical performance. Here we report a cement composite incorporating an ultra-low polymer concentration (<0.15 wt%) that enables autonomous, multi-cycle crack healing without capsules or vascular networks and with minimal impact on hydration, setting, or workability. The system forms an in-situ poly(acrylic acid)/poly(ethylene oxide)/branched poly(ethylene imine) complex that establishes reversible electrostatic and hydrogen-bonding interactions with both itself and cement hydration products, creating a molecular-scale “Velcro” network. High-resolution X-ray computed tomography and optical microscopy reveal rapid polymer redistribution and crack sealing, including closure through a ~ 2 mm-deep fracture within ~4 h, corresponding to healing rates of ~10 mm·day⁻¹. Time-resolved confocal Raman spectroscopy identifies bi-exponential kinetics with characteristic times of ~10 min and ~9 h, consistent with multi-stage polymer transport and interfacial reorganization, and corroborated by identical-location SEM–EDS observations. Mechanical testing under a severe post-peak loading protocol (20% strength loss beyond the maximum) shows strength recovery of up to 62% in compression and 59% in direct tension, with sustained recovery across multiple damage–healing cycles. These results demonstrate that reversible polymer–cement interactions coupled with efficient pore-scale transport enable rapid, repeatable self-healing at exceptionally low additive concentrations, providing a scalable pathway toward longer-lived and more sustainable concrete infrastructure.

0902鋼構造及びコンクリート
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