Een internationaal team van wetenschappers heeft een nieuwe database gemaakt van moleculaire dynamische modellen die de eigenschappen van cement in al zijn varianten simuleren. Het is bedoeld om dit onderdeel van beton te verfijnen en de emissies in het productieproces te verminderen.

Cement wordt gebruikt om beton te binden, het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld en een belangrijke bron van atmosferische kooldioxide. De productie ervan draagt ​​maar liefst 8 procent van het broeikasgas bij aan de atmosfeer.

Onderzoek atomaire interacties

Een nieuwe databank, genaamd cemff, voor cementkrachtvelden. In dit geval, het krachtveld is geen onzichtbare barrière van een sciencefictionverhaal. Het is de verzameling parameters die wetenschappers gebruiken om computermodellen van atomaire interacties te bouwen. Deze parameters omvatten de intrinsieke energie van de atomen in een simulatiesysteem. Ze worden gebruikt om te berekenen hoe atomen individueel en collectief interageren met hun buren om het materiaal zijn eigenschappen te geven.

Toepassing van nauwkeurige atomistische krachtveldmodellen maakt het mogelijk om computersimulaties uit te voeren van verschillende soorten anorganische mineralen die aanwezig zijn in cement. Heel belangrijk, het helpt academische en industriële onderzoekers om gebruik te maken van vele soorten krachtvelden om betrouwbare simulaties en voorspellingen te maken van speciaal gebouwde cementformuleringen. Cemff kan de industrie helpen om sterker te ontwerpen, duurzamere bouwmaterialen die ook de CO2-uitstoot verminderen bij de productie van meer dan 3 miljard ton cement en beton per jaar.

Ontwikkelen van milieuvriendelijke cementen

"De publicatie van deze gemeenschappelijke database is een mijlpaal voor het vakgebied die de impact voor moleculaire modellering bij de ontwikkeling van nieuwe en milieuvriendelijke cementen aanzienlijk zal vergroten", zegt Robert Flatt, hoogleraar civiele, Environmental and Geomatic Engineering aan de ETH Zürich en een van de wetenschappelijke adviseurs van het cemff-databaseproject.

Vijftien wetenschappers van 11 instellingen werkten aan het project onder leiding van Ratan Mishra van ETH Zürich, Rouzbeh Shahsavari van Rice University en Paul Bowen van EPFL Lausanne. In hun onderzoek hebben de simulatie van krachtveldmodellen laat zien hoe de componentmoleculen in cement met elkaar interageren. Deze microscopische interacties bepalen hoe goed beton presteert in reële toepassingen en zorgen ervoor dat het materiaal decennialang en op de meest milieubewuste manier optimaal kan presteren.

"Moleculaire modellering vereist nog steeds meerdere afwegingen, " zei Misra, hoofdauteur van het artikel en een materiaalwetenschapper in de groep van professor Flatt. "Het typische voorbeeld is tijd versus nauwkeurigheid, maar belangrijker, het is essentieel om te herkennen waar specifieke modellen goed in zijn en waarmee ze kunnen worden uitgedaagd." Cemff zal onderzoekers in staat stellen een meer omvattende kijk op deze vraag te krijgen en de beste aanpak te selecteren voor het probleem dat ze aanpakken.

Verklein de ecologische voetafdruk

Cement bestaat voornamelijk uit calciumsilicaten die reageren met water om het geharde materiaal te produceren dat mechanische eigenschappen en duurzaamheid aan beton verleent. Bijna 60 procent van de kooldioxide-emissies van de cementproductie zijn afkomstig van de afbraak van kalksteen, de bron van calcium in cement. Om de ecologische voetafdruk te verkleinen, fabrikanten vullen de mix vaak aan met klei, afvalstoffen zoals vliegas en gerecyclede materialen.

Deze hebben allemaal invloed op de mechanische eigenschappen en veerkracht van het product; daarom is er behoefte aan simulaties op nanoschaal waarmee fabrikanten mengsels kunnen testen op sterkte en duurzaamheid, zelfs voordat ze echt cement maken.

"Ik hoop dat het open formaat en de internationale basis van de cemff-database zowel de modellerings- als de experimentele gemeenschap zal aanmoedigen om solide benchmarks te creëren om de eigenschappen van het meest gebruikte materiaal op aarde beter te begrijpen en te voorspellen en ons te helpen een duurzamere toekomst op te bouwen. , " zegt Paul Bowen, professor aan het Powder Technology Laboratory van EPFL, en initiatiefnemer van het project.