I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno sviluppato un cemento autorigenerante che potrebbe ripararsi da solo in poche ore. Il cemento per pozzi per applicazioni geotermiche ha una durata di soli 30-40 anni. Quando il cemento inevitabilmente si rompe, le riparazioni possono facilmente superare $ 1,5 milioni di dollari per pozzo. Gli scienziati stanno sviluppando cemento che si ripara da solo, eludendo riparazioni enormemente costose. Il cemento è adatto sia per applicazioni geotermiche che per petrolio e gas. Con migliaia di pozzi per lo sviluppo di energia sotterranea ogni anno, questa tecnologia può avere un impatto drammatico sul costo della produzione di energia.

Funziona. Ma come? Il chimico della PNNL Carlos Fernandez e il suo team hanno sviluppato il loro cemento autorigenerante, e sapevano che funzionava grazie a innumerevoli test in laboratorio. Ma non capivano del tutto come si comportava il cemento a livello molecolare. Volevano capire cosa guida la capacità di guarigione di questi compositi, e più specificamente volevano conoscere il ruolo degli atomi di zolfo nel polimero. Queste informazioni illuminerebbero potenziali punti deboli nel composito cemento/polimero e come modificare la formula per migliorare la durabilità.

Le simulazioni al computer per impostazione predefinita sono sintonizzate per esaminare le interazioni a livello molecolare. Così, Fernandez si è avvalsa dell'esperienza dello scienziato computazionale PNNL Vassiliki-Alexandra Glezakou per aiutare. Il team di calcolo composto da Glezakou, Manh-Thuong Nguyen, e Roger Rousseau ha costruito un modello di simulazione che è il primo del suo genere. Sulla base della teoria del funzionale della densità, il modello può simulare ciò che avviene all'interno del sistema cemento/polimero. Questo approccio computazionale va molto oltre i classici modelli di dinamica molecolare che normalmente non sono in grado di tracciare come i legami si rompono e si formano all'interno del cemento. Di conseguenza, il team ha costruito un modello abbastanza complesso da rappresentare tutte le caratteristiche salienti dell'interfaccia cemento/polimero sia in un impasto liquido che in uno stato polimerizzato.

Il risultato è stato sorprendente ed è andato contro i presupposti iniziali della squadra. Le simulazioni hanno mostrato che gli atomi di zolfo del polimero non si legano al cemento, ma invece puntare lontano. Questo è importante perché se gli atomi di zolfo fossero responsabili delle capacità di autoriparazione del cemento, come il team pensava in precedenza, legarsi al cemento ostacolerebbe questa azione. inaspettatamente, la principale interazione responsabile dell'adesione del cemento autoriparante è il legame tra le funzionalità alcossidiche nel polimero e gli atomi di calcio nel cemento. Inoltre, un gran numero di interazioni di legame idrogeno, dimostrato di esistere in una vasta gamma di interazioni interatomiche, si è scoperto che contribuiscono al legame reversibile perché possono essere facilmente rotti man mano che si formano.

Ispirato da queste scoperte, il team ha deciso di indagare ulteriormente utilizzando le capacità di imaging uniche dell'Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL). La spettroscopia di generazione di frequenza somma è uno strumento sensibile alle interazioni all'interfaccia tra il polimero e il cemento, ma anche tra il polimero e l'aria. Questa tecnica dettagliata ha isolato l'interazione alcossido-calcio all'interfaccia cemento-polimero e convalida il loro ruolo nella funzione di guarigione di questi nuovi materiali compositi. Questo esperimento ha anche confermato l'assenza di interazioni atomiche che coinvolgano gli atomi di zolfo nel polimero, convalidare ulteriormente le previsioni teoriche.

"Onestamente, si trattava di simulazioni piuttosto inedite, non solo in termini di richieste computazionali, ma soprattutto per creare un modello molecolare che possa fornire una ragionevole rappresentazione di un sistema così complesso, " disse Glezakou.

"Manh ha fatto un lavoro magistrale tirando fuori tutte queste informazioni dalle traiettorie. I dettagli fini di questi calcoli e analisi non sono per i deboli di cuore, "concordò Rousseau.

Tutto questo insieme ha aiutato a spiegare come funziona il cemento autorigenerante, e ha dimostrato che il cemento può funzionare meglio di quanto inizialmente pensato. Fornisce inoltre al team una migliore comprensione di come e perché i materiali si comportano in quel modo e può rivelare modi per modificarlo e potenzialmente migliorarlo ulteriormente.