Le infrastrutture obsolete della nazione richiedono investimenti massicci. L'American Society of Civil Engineers stima che gli Stati Uniti debbano spendere circa $ 4,5 trilioni entro il 2025 per riparare le strade del paese, ponti, dighe e altre infrastrutture.

Immagina se gli ingegneri potessero costruire strutture con materiali che non si degradano nel tempo. Ricercatori dell'Università della California, Irvine ha proposto una nuova tecnica di simulazione che potrebbe aiutare gli ingegneri a fare proprio questo.

Mohammad Javad Abdolhosseini Qomi, professore assistente di ingegneria civile e ambientale, e lo studente laureato in ingegneria Ali Morshedifard hanno sviluppato un metodo numerico per simulare il processo di invecchiamento molecolare nei materiali amorfi, come cemento e vetro. Questa tecnica potrebbe aiutare i ricercatori non solo a capire meglio come i materiali si indeboliscono con l'età, ma anche sviluppare materiali che mantengono la loro forza indefinitamente. Il loro lavoro appare questa settimana in Comunicazioni sulla natura .

Secondo i ricercatori, l'invecchiamento ha origine a livello atomico e molecolare. A causa di questa minuscola scala, è quasi impossibile monitorare i cambiamenti microscopici per lunghi periodi. "Nella simulazione al computer dei materiali, dovresti simulare un quadrilione di passi temporali per catturare solo un secondo di comportamento. Questo non ci avvicinerebbe nemmeno alle scale temporali rilevanti per i fenomeni di invecchiamento, che sono nell'ordine degli anni e dei decenni, " ha spiegato Qomi.

Nella loro tecnica di marcia dello stress incrementale, Qomi e il suo studente laureato sottopongono la struttura molecolare del materiale a fluttuazioni di stress ciclico, e poi seguire la risposta del materiale a tali perturbazioni. "Il cemento idratato è composto da globuli simili a dischi su scala nanometrica. Abbiamo scoperto casualmente che questi globuli si deformano gradualmente sotto carico sostenuto, ma la deformazione si arresta dopo un certo periodo. Abbiamo anche scoperto che il comportamento collettivo dei globuli dà luogo a una deformazione non asintotica, che riteniamo essere all'origine del creep nei materiali cementizi. È stato affascinante vedere le origini atomiche della deformazione viscoelastica e logaritmica sotto stress costante, " disse Morshedifard, l'autore principale del documento.

Qomi e il suo team di ricerca intendono applicare questa nuova tecnica per esplorare la relazione tra la composizione e la consistenza dei materiali strutturali e il loro comportamento dipendente dal tempo.

"La Federal Highway Administration spende più di 80 miliardi di dollari all'anno per riparare ponti che si degradano a causa di fenomeni di invecchiamento, " Ha continuato Qomi. "Capire come invecchiano i materiali strutturali è il primo passo verso la progettazione di materiali a invecchiamento ridotto che possono potenzialmente far risparmiare denaro ai contribuenti".