Ny simuleringsteknik modellerer materialeældningsproces

Nationens aldrende infrastruktur kræver massive investeringer. American Society of Civil Engineers anslår, at USA skal bruge omkring 4,5 billioner dollars inden 2025 for at reparere landets veje, broer, dæmninger og anden infrastruktur.

Tænk, hvis ingeniører kunne bygge strukturer med materialer, der ikke nedbrydes over tid. Forskere ved University of California, Irvine har foreslået en ny simuleringsteknik, der kunne hjælpe ingeniører med at gøre netop det.

Mohammad Javad Abdolhosseini Qomi, adjunkt i civil- og miljøteknik, og ingeniørstuderende Ali Morshedifard har udviklet en numerisk metode til at simulere den molekylære ældningsproces i amorfe materialer, såsom beton og glas. Denne teknik kan hjælpe forskerne ikke blot bedre at forstå, hvordan materialer svækkes med alderen, men også udvikle materialer, der bevarer deres styrke i det uendelige. Deres arbejde vises i denne uge i Naturkommunikation .

Ifølge forskerne, aldring opstår på atom- og molekylært niveau. På grund af denne minimale skala, det er næsten umuligt at spore mikroskopiske ændringer over lange perioder. "I computersimulering af materialer, du ville være nødt til at simulere en kvadrillion tidstrin for kun at fange et sekunds adfærd. Det ville ikke engang bringe os tæt på de tidsskalaer, der er relevante for aldringsfænomener, som er i størrelsesordenen år og årtier, " forklarede Qomi.

I deres inkrementelle stress-march-teknik, Qomi og hans kandidatstuderende udsætter materialets molekylære struktur for cykliske stressudsving, og følg derefter materialets reaktion på sådanne forstyrrelser. "Hydreret cement er sammensat af skivelignende kugler på nanoskala. Vi fandt uden tvivl, at disse kugler gradvist deformeres under vedvarende belastning, men deformationen stopper efter en vis periode. Vi fandt også, at kuglernes kollektive adfærd giver anledning til en ikke-asymptotisk deformation, som vi mener er oprindelsen til kryb i cementholdige materialer. Det var fascinerende at se atomare oprindelse af viskoelastisk og logaritmisk deformation under konstant stress, " sagde Morshedifard, avisens hovedforfatter.

Qomi og hans forskerhold planlægger at anvende denne nye teknik til at udforske forholdet mellem sammensætning og tekstur af strukturelle materialer og deres tidsafhængige adfærd.

"Federal Highway Administration bruger mere end 80 milliarder dollars om året på at reparere broer, der forringes som følge af aldringsfænomener, " Qomi fortsatte. "Forståelse af, hvordan strukturelle materialer ældes, er det allerførste skridt mod at designe materialer med reduceret ældning, der potentielt kan spare skatteydernes penge."