Ricerca sul cemento: la base per un calcestruzzo più verde
Un team internazionale di ricercatori ha creato un nuovo database per i modelli di dinamica molecolare che simulano le proprietà del cemento in tutte le sue forme. L'obiettivo del database è quello di supportare scienziati e produttori nella messa a punto di questo componente del cemento e, non da ultimo, di ridurre le emissioni nel processo di produzione.
Il cemento è utilizzato per legare il calcestruzzo, il materiale da costruzione più utilizzato al mondo e una fonte significativa di anidride carbonica in atmosfera. La produzione di cemento è responsabile di oltre l'8% dei gas serra rilasciati in atmosfera.
Indagine sulle interazioni atomiche
Il nuovo database si chiama pagina esternacemff,che sta per "Cement Force Fields". In questo caso, però, il campo di forza non è una barriera invisibile di una storia di fantascienza. Si tratta piuttosto di un insieme di parametri che i ricercatori utilizzano per creare modelli computerizzati delle interazioni atomiche. Uno di questi parametri è l'energia interna degli atomi in un sistema di simulazione. Nell'ambito della loro ricerca, gli scienziati calcolano come gli atomi interagiscono individualmente e collettivamente con i loro vicini per creare le rispettive proprietà di un materiale.
L'uso di precisi modelli atomistici di campi di forza consente di effettuare simulazioni al computer con diversi tipi di minerali inorganici presenti nel cemento. Il database consente ai ricercatori del mondo accademico e industriale di attingere a un'ampia gamma di tipi di campi di forza e di effettuare simulazioni affidabili per formule di cemento appositamente sviluppate. Il Cemff potrebbe quindi aiutare l'industria a sviluppare materiali da costruzione più resistenti e durevoli che generino anche meno emissioni di anidride carbonica durante la produzione. che ammontano a oltre 3 miliardi di tonnellate all'anno nella produzione di calcestruzzo.
Sviluppo di tipi di cemento ecocompatibili
"La pubblicazione di questo database comune rappresenta una pietra miliare per questo campo di ricerca, che aumenterà in modo significativo l'influenza della modellazione molecolare nello sviluppo di tipi di cemento nuovi e rispettosi dell'ambiente", afferma Robert Flatt, professore di Umwelt und Geomatica presso l'ETH di Zurigo e uno dei consulenti scientifici del progetto del database cemff.
Al progetto hanno lavorato 15 scienziati di 11 istituti guidati da Ratan Mishra dell'ETH di Zurigo, Rouzbeh Shahsavari della Rice University e Paul Bowen dell'EPFL di Losanna. Nell'ambito della loro ricerca, hanno studiato come le molecole dei componenti del cemento interagiscono tra loro nella simulazione di modelli di campo di forza. Queste interazioni microscopiche determinano le prestazioni del cemento nella pratica e consentono di mettere a punto il materiale in modo che possa essere utilizzato per decenni nel modo più efficiente ed ecologico possibile.
"Molti compromessi sono ancora necessari nella modellazione molecolare", afferma Mishra, primo autore della pubblicazione su questo database e scienziato dei materiali nel gruppo di ricerca del professore Flatt. L'esempio tipico è il rapporto tra tempo e precisione. Tuttavia, è ancora più importante riconoscere quali sono i modelli specifici per i quali sono adatti e quali possono essere le sfide in ciascun caso. Il database cemff consentirà ai ricercatori di avere una visione più ampia della questione e di scegliere l'approccio migliore per il problema su cui stanno lavorando.
LE EMISSIONI DI CO2-Migliorare il bilancio
Il componente principale del cemento è il silicato di calcio, che reagisce con l'acqua per formare il materiale indurito che conferisce al calcestruzzo le sue proprietà meccaniche e la sua durata. Circa il 60% delle emissioni di anidride carbonica derivanti dalla produzione di cemento proviene dalla decomposizione della calce, la fonte di calcio del cemento. Per ridurre al minimo le emissioni di CO2-Per migliorare l'impronta di carbonio, i produttori spesso aggiungono all'impasto argilla, materiali di scarto come le ceneri volanti e materiale riciclato.
Queste influiscono sulle proprietà meccaniche e sulla durata del prodotto - ed è anche per questo che c'è bisogno di simulazioni su scala nanometrica che permettano ai produttori di testare la resistenza e la durata delle miscele prima ancora che venga prodotto il cemento vero e proprio. "Questo database consolidato è in linea con l'attuale tendenza verso i big data e la scienza computazionale predittiva dei materiali", afferma Rouzbeh Shahsavari, professore assistente di ingegneria civile e ambientale e di scienze ed ingegneria dei materiali alla Rice University.
Paul Bowen, professore del Laboratorio di Tecnologia delle Polveri dell'EPFL e iniziatore del progetto, spera che l'apertura e la base internazionale del database cemff incoraggino sia la comunità di ricerca modellistica che quella sperimentale a creare solidi parametri di riferimento. "Il database dovrebbe aiutare a comprendere e a prevedere con maggiore precisione le proprietà del materiale più utilizzato sul pianeta, contribuendo così a un futuro più sostenibile", afferma.
