El hormigón es el material de construcción más utilizado en el mundo:su fabricación aporta hasta un 8 por ciento del dióxido de carbono a la atmósfera. Crédito:eugenesergeev, iStock
Un equipo internacional de científicos ha creado una nueva base de datos de modelos de dinámica molecular que simulan las propiedades del cemento en todas sus variedades. Su objetivo es ayudar a afinar este componente del hormigón y reducir las emisiones en su proceso de fabricación.
El cemento se utiliza para unir hormigón, el material de construcción más utilizado en el mundo y una fuente importante de dióxido de carbono atmosférico. Su fabricación aporta hasta un 8 por ciento de los gases de efecto invernadero a la atmósfera.
Investigar interacciones atómicas
Una nueva base de datos llamado cemff, para campos de fuerza de cemento. En este caso, el campo de fuerza no es una barrera invisible de una historia de ciencia ficción. Es la colección de parámetros que los científicos utilizan para construir modelos informáticos de interacciones atómicas. Estos parámetros incluyen la energía intrínseca de los átomos en un sistema de simulación. Se utilizan para calcular cómo los átomos interactúan individual y colectivamente con sus vecinos para darle al material sus propiedades.
La aplicación de modelos precisos de campos de fuerza atomísticos permite realizar una simulación por computadora de varios tipos de minerales inorgánicos presentes en el cemento. Muy importante ayuda a los investigadores académicos e industriales a aprovechar muchos tipos de campos de fuerza para realizar simulaciones y predicciones fiables de formulaciones de cemento especialmente diseñadas. Cemff podría ayudar a la industria a diseñar más Materiales de construcción más duraderos que también reducen las emisiones de dióxido de carbono de la fabricación de más de 3 mil millones de toneladas de cemento y hormigón al año.
Imagen de microscopía electrónica de transmisión de cemento y estructura atómica de cemento modelo. Crédito:ETH Zurich / EPFL / Rice University
Desarrollo de cementos ecológicos
"La publicación de esta base de datos común representa un hito para el campo que aumentará en gran medida el impacto del modelado molecular en el desarrollo de cementos nuevos y ecológicos", dice Robert Flatt, Catedrático de Civil, Ingeniería ambiental y geomática en ETH Zurich y uno de los asesores científicos del proyecto de base de datos cemff.
Quince científicos de 11 instituciones trabajaron en el proyecto liderado por Ratan Mishra de ETH Zurich, Rouzbeh Shahsavari de Rice University y Paul Bowen de EPFL Lausanne. En su investigación, la simulación de modelos de campo de fuerza muestra cómo las moléculas componentes del cemento interactúan entre sí. Estas interacciones microscópicas determinan qué tan bien se desempeña el concreto en aplicaciones del mundo real y permiten ajustar el material para que rinda al máximo durante décadas y de la manera más consciente del medio ambiente.
"El modelado molecular todavía requiere múltiples compensaciones, "dijo Mishra, autor principal del artículo y científico de materiales en el grupo del profesor Flatt. "El ejemplo típico es tiempo versus precisión, pero mas importante, es esencial reconocer en qué modelos específicos son buenos y con qué pueden enfrentarse ". Cemff permitirá a los investigadores tener una visión más completa de esta cuestión y seleccionar el mejor enfoque para el problema que están abordando.
Una construcción simulada de cemento producida por un modelo en la base de datos cemff. El modelo contiene hidrógeno (blanco), oxígeno (rojo), silicato (amarillo) y calcio (verde). Crédito:ETH Zurich
Reducir la huella de carbono
El cemento consiste principalmente en silicatos de calcio que reaccionan con el agua para producir el material endurecido que confiere propiedades mecánicas y durabilidad al hormigón. Casi el 60 por ciento de las emisiones de dióxido de carbono de la producción de cemento provienen de la descomposición de la piedra caliza, la fuente de calcio en el cemento. Para reducir la huella de carbono, los fabricantes a menudo complementan la mezcla con arcillas, materiales de desecho como cenizas volantes y materiales reciclados.
Todos estos influyen en las características mecánicas y la resiliencia del producto; es por eso que se necesitan simulaciones a nanoescala que permitan a los fabricantes probar la resistencia y durabilidad de las mezclas incluso antes de fabricar cemento real.
"Espero que el formato abierto y la base internacional de la base de datos cemff animen tanto a la comunidad de modelos como a la comunidad experimental a crear puntos de referencia sólidos para ayudar a comprender y predecir con mayor precisión las propiedades del material más utilizado en la Tierra y ayudarnos a construir un futuro más sostenible , "dice Paul Bowen, profesor del Laboratorio de Tecnología de Polvos de la EPFL, e iniciador del proyecto.
