Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato al mondo:la sua produzione contribuisce fino all'8% di anidride carbonica nell'atmosfera. Attestazione:eugenesergeev, iStock
Un team internazionale di scienziati ha creato un nuovo database di modelli di dinamica molecolare che simulano le proprietà del cemento in tutte le sue varietà. Ha lo scopo di aiutare a mettere a punto questo componente del calcestruzzo e ridurre le emissioni nel suo processo di produzione.
Il cemento è usato per legare il calcestruzzo, il materiale da costruzione più utilizzato al mondo e una fonte significativa di anidride carbonica atmosferica. La sua produzione contribuisce fino all'8% dei gas serra nell'atmosfera.
Indagare le interazioni atomiche
Una nuova banca dati, chiamato cemff, per i campi di forza del cemento. In questo caso, il campo di forza non è una barriera invisibile da un racconto di fantascienza. È la raccolta di parametri che gli scienziati usano per costruire modelli al computer delle interazioni atomiche. Questi parametri includono l'energia intrinseca degli atomi in un sistema di simulazione. Sono usati per calcolare come gli atomi interagiscono individualmente e collettivamente con i loro vicini per dare al materiale le sue proprietà.
L'applicazione di accurati modelli di campo di forza atomica consente di eseguire simulazioni al computer di vari tipi di minerali inorganici presenti nel cemento. Molto importante, aiuta i ricercatori accademici e industriali ad attingere a molti tipi di campi di forza per effettuare simulazioni e previsioni affidabili di formulazioni di cemento appositamente costruite. Cemff potrebbe aiutare l'industria a progettare più forte, materiali da costruzione più durevoli che riducono anche le emissioni di anidride carbonica dalla produzione di oltre 3 miliardi di tonnellate di cemento e calcestruzzo all'anno.
Immagine al microscopio elettronico a trasmissione del cemento e struttura atomica del cemento modello. Credito:ETH Zurigo/EPFL/Rice University
Sviluppo di cementi eco-compatibili
"La pubblicazione di questo database comune rappresenta una pietra miliare per il settore che aumenterà notevolmente l'impatto per la modellizzazione molecolare nello sviluppo di cementi nuovi ed eco-compatibili", dice Robert Flatt, Professore di Civile, Ingegneria ambientale e geomatica presso l'ETH di Zurigo e uno dei consulenti scientifici del progetto database cemff.
Quindici scienziati di 11 istituzioni hanno lavorato al progetto guidato da Ratan Mishra dell'ETH di Zurigo, Rouzbeh Shahsavari della Rice University e Paul Bowen dell'EPFL Losanna. Nella loro ricerca, la simulazione dei modelli del campo di forza mostra come le molecole componenti nel cemento interagiscono tra loro. Queste interazioni microscopiche determinano le prestazioni del calcestruzzo nelle applicazioni del mondo reale e consentono di mettere a punto il materiale affinché funzioni al meglio per decenni e nel modo più rispettoso dell'ambiente.
"La modellazione molecolare richiede ancora molteplici compromessi, " disse Mishra, autore principale dell'articolo e uno scienziato dei materiali nel gruppo del professor Flatt. "L'esempio tipico è il tempo contro la precisione, ma soprattutto, è essenziale riconoscere in quali modelli specifici sono bravi e con cosa possono essere sfidati." Cemff consentirà ai ricercatori di avere una visione più completa su questa domanda e di selezionare l'approccio migliore per il problema che stanno affrontando.
Un costrutto simulato di cemento prodotto da un modello nel database cemff. Il modello contiene idrogeno (bianco), ossigeno (rosso), silicato (giallo) e calcio (verde). Credito:ETH Zurigo
Ridurre l'impronta di carbonio
Il cemento è costituito principalmente da silicati di calcio che reagiscono con l'acqua per produrre il materiale indurito che conferisce proprietà meccaniche e durabilità al calcestruzzo. Quasi il 60 per cento delle emissioni di anidride carbonica dalla produzione di cemento proviene dalla decomposizione del calcare, la fonte di calcio nel cemento. Per ridurre l'impronta di carbonio, i produttori spesso integrano la miscela con argille, materiali di scarto come ceneri volanti e materiali riciclati.
Tutti questi influiscono sulle caratteristiche meccaniche e sulla resilienza del prodotto; ecco perché c'è bisogno di simulazioni su scala nanometrica che permettano ai produttori di testare le miscele per resistenza e durata anche prima di produrre cemento vero.
"Spero che il formato aperto e la base internazionale del database cemff incoraggino sia la comunità di modellistica che quella sperimentale a creare solidi parametri di riferimento per aiutare a comprendere e prevedere in modo più accurato le proprietà del materiale più utilizzato sulla Terra e aiutarci a costruire un futuro più sostenibile , "dice Paul Bowen, professore presso il Laboratorio di tecnologia delle polveri dell'EPFL, e promotore del progetto.
