Ett internationellt team av forskare har skapat en ny databas med molekylära dynamikmodeller som simulerar egenskaperna hos cement i alla dess varianter. Det är avsett att hjälpa till att finjustera denna komponent av betong och minska utsläppen i tillverkningsprocessen.

Cement används för att binda betong, det mest använda byggmaterialet i världen och en betydande källa till atmosfärisk koldioxid. Dess tillverkning bidrar med så mycket som 8 procent av växthusgasen till atmosfären.

Undersök atomära interaktioner

En ny databas, kallas cemff, för cementkraftfält. I detta fall, kraftfältet är inte en osynlig barriär från en science-fiction-historia. Det är samlingen av parametrar som forskare använder för att bygga datormodeller av atomära interaktioner. Dessa parametrar inkluderar den inneboende energin hos atomerna i ett simuleringssystem. De används för att beräkna hur atomer interagerar individuellt och kollektivt med sina grannar för att ge materialet dess egenskaper.

Tillämpning av noggranna atomistiska kraftfältsmodeller gör det möjligt att göra datorsimulering av olika typer av oorganiska mineraler som finns i cement. Mycket viktigt, det hjälper akademiska och industriella forskare att utnyttja många typer av kraftfält för att göra tillförlitliga simuleringar och förutsägelser av specialbyggda cementformuleringar. Cemff kan hjälpa industridesign starkare, mer hållbara byggmaterial som också minskar koldioxidutsläppen från tillverkning av mer än 3 miljarder ton cement och betong per år.

Utveckling av miljövänligt cement

"Publiceringen av denna gemensamma databas representerar en milstolpe för området som avsevärt kommer att öka effekten för molekylär modellering i utvecklingen av nya och miljövänliga cement", säger Robert Flatt, professor i civil, Miljö- och geoteknik vid ETH Zürich och en av de vetenskapliga rådgivarna för cemff databasprojekt.

Femton forskare vid 11 institutioner arbetade med projektet som leddes av Ratan Mishra från ETH Zürich, Rouzbeh Shahsavari från Rice University och Paul Bowen från EPFL Lausanne. I sin forskning, simuleringen av kraftfältsmodeller visar hur komponentmolekylerna i cement interagerar med varandra. Dessa mikroskopiska interaktioner avgör hur väl betong presterar i verkliga tillämpningar och möjliggör finjustering av materialet för att prestera som bäst i årtionden och på det mest miljömedvetna sättet.

"Molekylär modellering kräver fortfarande flera avvägningar, sa Mishra, huvudförfattare till uppsatsen och en materialvetare i professor Flatts grupp. "Det typiska exemplet är tid kontra noggrannhet, men ännu viktigare, det är viktigt att inse vad specifika modeller är bra på och vad de kan utmanas med." Cemff kommer att tillåta forskare att få en mer heltäckande syn på denna fråga och att välja den bästa strategin för det problem de tar itu med.

Minska koldioxidavtrycket

Cement består främst av kalciumsilikater som reagerar med vatten för att producera det härdade materialet som ger betongen mekaniska egenskaper och hållbarhet. Nästan 60 procent av koldioxidutsläppen från cementproduktion kommer från nedbrytning av kalksten, källan till kalcium i cement. För att minska koldioxidavtrycket, tillverkare kompletterar ofta blandningen med leror, avfallsmaterial som flygaska och återvunnet material.

Alla dessa påverkar produktens mekaniska egenskaper och motståndskraft; det är därför det behövs simuleringar i nanoskala som låter tillverkarna testa blandningar för styrka och hållbarhet även innan de tillverkar riktig cement.

"Jag hoppas att det öppna formatet och den internationella basen för cemff-databasen kommer att uppmuntra både modellerings- och experimentgemenskapen att skapa solida riktmärken för att hjälpa oss att förstå och mer exakt förutsäga egenskaperna hos det mest använda materialet på jorden och hjälpa oss att bygga en mer hållbar framtid , säger Paul Bowen, professor vid Powder Technology Laboratory of EPFL, och initiativtagare till projektet.