Nationens åldrande infrastruktur kräver massiva investeringar. American Society of Civil Engineers uppskattar att USA behöver spendera cirka 4,5 biljoner dollar till 2025 för att fixa landets vägar, broar, dammar och annan infrastruktur.

Tänk om ingenjörer kunde bygga strukturer med material som inte försämras med tiden. Forskare vid University of California, Irvine har föreslagit en ny simuleringsteknik som kan hjälpa ingenjörer att göra just det.

Mohammad Javad Abdolhosseini Qomi, biträdande professor i byggnads- och miljöteknik, och ingenjörsstudenten Ali Morshedifard har utvecklat en numerisk metod för att simulera den molekylära åldringsprocessen i amorfa material, som betong och glas. Denna teknik kan hjälpa forskare att inte bara bättre förstå hur material försvagas med åldern, men också utveckla material som bibehåller sin styrka på obestämd tid. Deras verk visas denna vecka i Naturkommunikation .

Enligt forskarna, åldrande har sitt ursprung på atomär och molekylär nivå. På grund av denna minimala skala, det är nästan omöjligt att spåra mikroskopiska förändringar under långa perioder. "I datorsimulering av material, du skulle behöva simulera en kvadrillion tidssteg för att bara fånga en sekunds beteende. Det skulle inte ens få oss i närheten av de tidsskalor som är relevanta för åldrandefenomen, som är i storleksordningen år och decennier, " förklarade Qomi.

I sin inkrementella stress-marschteknik, Qomi och hans doktorand utsätter materialets molekylära struktur för cykliska spänningsfluktuationer, och följ sedan materialets svar på sådana störningar. "Hydrat cement består av skivliknande kulor på nanoskala. Vi fann utan tvivel att dessa kulor gradvis deformeras under ihållande belastning, men deformationen upphör efter en viss period. Vi fann också att kulornas kollektiva beteende ger upphov till en icke-asymptotisk deformation, som vi tror är ursprunget till krypning i cementbaserade material. Det var fascinerande att se atomärt ursprung för viskoelastisk och logaritmisk deformation under konstant stress, sade Morshedifard, tidningens huvudförfattare.

Qomi och hans forskargrupp planerar att tillämpa denna nya teknik för att utforska förhållandet mellan sammansättningen och texturen av strukturella material och deras tidsberoende beteende.

"Federal Highway Administration spenderar mer än 80 miljarder dollar per år för att fixa broar som försämras till följd av åldrande fenomen, " Qomi fortsatte. "Att förstå hur strukturella material åldras är det allra första steget mot att designa material med minskat åldrande som potentiellt kan spara skattebetalarnas pengar."