Los investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han desarrollado un cemento autorreparable que podría repararse a sí mismo en tan solo unas pocas horas. El cemento de pozo para aplicaciones geotérmicas tiene una vida útil de solo 30 a 40 años. Cuando el cemento inevitablemente se agrieta, las reparaciones pueden superar fácilmente los 1,5 millones de dólares por pozo. Los científicos están desarrollando cemento que se fija a sí mismo, evitando reparaciones enormemente costosas. El cemento es adecuado tanto para aplicaciones geotérmicas como de petróleo y gas. Con miles de pozos de desarrollo de energía subterránea anualmente, esta tecnología puede tener un impacto dramático en el costo de producción de energía.

Funciona. ¿Pero cómo? El químico de PNNL Carlos Fernández y su equipo desarrollaron su cemento autocurativo, y sabían que funcionaba gracias a innumerables pruebas en el laboratorio. Pero no entendieron del todo cómo se comportaba el cemento a nivel molecular. Querían comprender qué impulsa la capacidad de curación de estos compuestos, y más específicamente querían conocer el papel de los átomos de azufre en el polímero. Esta información iluminaría las posibles debilidades en el compuesto de cemento / polímero y cómo modificar la fórmula para mejorar la durabilidad.

Las simulaciones por computadora están ajustadas por defecto para observar interacciones a nivel molecular. Entonces, Fernández contó con la experiencia del científico computacional de PNNL Vassiliki-Alexandra Glezakou para ayudar. El equipo computacional formado por Glezakou, Manh-Thuong Nguyen, y Roger Rousseau construyó un modelo de simulación que es el primero de su tipo. Basado en la teoría funcional de la densidad, el modelo puede simular lo que ocurre dentro del sistema cemento / polímero. Este enfoque computacional va mucho más allá de los modelos clásicos de dinámica molecular que normalmente no pueden rastrear cómo se rompen y forman los enlaces dentro del cemento. Como resultado, el equipo construyó un modelo lo suficientemente complejo como para representar todas las características destacadas de la interfaz cemento / polímero tanto en una suspensión como en un estado curado.

El resultado fue sorprendente y fue en contra de las suposiciones iniciales del equipo. Las simulaciones mostraron que los átomos de azufre del polímero no se unen al cemento, sino que señale hacia otro lado. Esto es importante porque si los átomos de azufre fueran responsables de la capacidad de autocuración del cemento, como el equipo pensaba anteriormente, la unión sobre el cemento dificultaría esta acción. Inesperadamente, La principal interacción responsable de la adhesión del cemento autorreparador es la unión entre las funcionalidades alcóxido del polímero y los átomos de calcio del cemento. Además, una gran cantidad de interacciones de enlaces de hidrógeno, demostrado que existe en una amplia gama de interacciones interatómicas, se encontró que contribuyen a la unión reversible porque pueden romperse tan fácilmente como se forman.

Inspirado por estos hallazgos, el equipo se propuso investigar más a fondo utilizando las capacidades de imagen únicas del Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales (EMSL). La espectroscopia de generación de frecuencia de suma es una herramienta sensible a las interacciones en la interfaz entre el polímero y el cemento, pero también entre el polímero y el aire. Esta técnica detallada aisló la interacción alcóxido-calcio en la interfaz cemento-polímero y valida su papel en la función curativa de estos nuevos materiales compuestos. Este experimento también confirmó la ausencia de interacciones atómicas que involucren átomos de azufre en el polímero, validando aún más las predicciones teóricas.

"Honestamente, se trataba de simulaciones sin precedentes, no solo en términos de demandas computacionales, pero especialmente para crear un modelo molecular que pueda proporcionar una representación razonable de un sistema tan complejo, "dijo Glezakou.

"Manh hizo un trabajo magistral al extraer toda esta información de las trayectorias. Los detalles finos de estos cálculos y análisis no son para los débiles de corazón, "asintió Rousseau.

Todo esto en conjunto ayudó a explicar cómo funciona el cemento autocurativo, y demostró que el cemento puede funcionar mejor de lo que se pensaba originalmente. También le da al equipo una mejor comprensión de cómo y por qué los materiales se comportan de la manera en que lo hacen y puede revelar formas de modificarlos y potencialmente mejorarlos aún más.