Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har utvecklat ett självläkande cement som kan reparera sig själv på så lite som några timmar. Borrhålscement för geotermiska tillämpningar har en livslängd på endast 30 till 40 år. När cementen oundvikligen spricker, reparationer kan lätt överstiga 1,5 miljoner dollar per brunn. Forskare utvecklar cement som fixar sig, kringgå enormt dyra reparationer. Cementen är lämplig för både geotermisk och olje- och gasapplikationer. Med tusentals brunnar för underjordisk energiutveckling årligen, denna teknik kan ha en dramatisk inverkan på kostnaden för energiproduktion.

Det fungerar. Men hur? PNNL-kemist Carlos Fernandez och hans team utvecklade sitt självläkande cement, och de visste att det fungerade tack vare otaliga tester i laboratoriet. Men de förstod inte helt hur cementen betedde sig på molekylär nivå. De ville förstå vad som driver läkningsförmågan hos dessa kompositer, och mer specifikt ville de veta vilken roll svavelatomer har i polymeren. Denna information skulle belysa potentiella svagheter i cement/polymerkompositen och hur man modifierar formeln för att förbättra hållbarheten.

Datorsimuleringar är som standard inställda för att titta på interaktioner på molekylär nivå. Så, Fernandez drog in expertis från PNNL-beräkningsforskaren Vassiliki-Alexandra Glezakou för att hjälpa. Beräkningsteamet bestående av Glezakou, Manh-Thuong Nguyen, och Roger Rousseau konstruerade en simuleringsmodell som är den första i sitt slag. Baserat på densitetsfunktionsteori, modellen kan simulera vad som sker inuti cement/polymersystemet. Denna beräkningsmetod går mycket längre än klassiska molekylära dynamikmodeller som normalt inte kan spåra hur bindningar bryts och bildas inuti cement. Som ett resultat, teamet byggde ett modellkomplex nog att representera alla framträdande egenskaper hos cement/polymer-gränssnittet både i en slurry och i ett härdat tillstånd.

Resultatet var överraskande och gick emot lagets initiala antaganden. Simuleringarna visade att polymerens svavelatomer inte binder på cementen, utan peka istället bort. Detta är viktigt eftersom om svavelatomerna var ansvariga för cementens självläkande förmåga, som laget tidigare trodde, bindning på cementen skulle hindra denna åtgärd. Oväntat, den huvudsakliga interaktionen som är ansvarig för vidhäftningen av självläkande cement är bindningen mellan alkoxidfunktionaliteter i polymeren och kalciumatomer i cementen. Dessutom, ett stort antal vätebindande interaktioner, visat sig existera över ett stort antal interatomära interaktioner, visade sig bidra till den reversibla bindningen eftersom de lika lätt kan brytas som de bildas.

Inspirerad av dessa fynd, teamet satte sig för att undersöka ytterligare med hjälp av Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) unika avbildningsfunktioner. Summefrekvensgenereringsspektroskopi är ett verktyg som är känsligt för interaktioner i gränsytan mellan polymeren och cementen, men också mellan polymeren och luften. Denna detaljerade teknik isolerade alkoxid-kalcium-interaktionen vid cement-polymer-gränsytan och validerade deras roll i läkningsfunktionen hos dessa nya kompositmaterial. Detta experiment bekräftade också frånvaron av några atomära interaktioner som involverar svavelatomerna i polymeren, ytterligare validering av de teoretiska förutsägelserna.

"Ärligt, dessa var ganska oöverträffade simuleringar, inte bara när det gäller beräkningskrav, men speciellt för att skapa en molekylär modell som kan ge en rimlig representation av ett så komplext system, sa Glezakou.

"Manh gjorde ett mästerligt jobb med att reta ut all denna information från banorna. De fina detaljerna i dessa beräkningar och analyser är inte för svaga hjärtan, " instämde Rousseau.

Allt detta tillsammans hjälpte till att förklara hur det självläkande cementet fungerar, och visade att cementen kan prestera bättre än man ursprungligen trodde. Det ger också teamet en bättre förståelse för hur och varför materialen beter sig som de gör och kan avslöja sätt att modifiera och eventuellt förbättra det ytterligare.