Simuleringer viser, hvordan atomer opfører sig inde i selvhelende cement

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har udviklet en selvhelbredende cement, der kunne reparere sig selv på få timer. Brøndboringscement til geotermiske anvendelser har en levetid på kun 30 til 40 år. Når cementen uundgåeligt revner, reparationer kan let nå 1,5 millioner dollars pr. brønd. Forskere udvikler cement, der reparerer sig selv, undgår enormt dyre reparationer. Cementen er velegnet til både geotermisk og olie- og gasapplikationer. Med tusinder af underjordiske udviklingsbrønde årligt, denne teknologi kan have en dramatisk indvirkning på omkostningerne ved energiproduktion.

Det virker. Men hvordan? PNNL-kemiker Carlos Fernandez og hans team udviklede deres selvhelbredende cement, og de vidste, at det virkede takket være utallige tests i laboratoriet. Men de forstod ikke helt, hvordan cementen opførte sig på molekylært niveau. De ville forstå, hvad der driver disse komposites helbredende evne, og mere specifikt ønskede de at kende svovlatomernes rolle i polymeren. Disse oplysninger vil belyse potentielle svagheder i cement/polymer kompositmaterialet og hvordan man ændrer formlen for at forbedre holdbarheden.

Computersimuleringer er som standard indstillet til at se på interaktioner på molekylært niveau. Så, Fernandez trak i ekspertisen fra PNNL-beregningsforsker Vassiliki-Alexandra Glezakou for at hjælpe. Beregningsteamet består af Glezakou, Manh-Thuong Nguyen, og Roger Rousseau konstruerede en simuleringsmodel, der er den første af sin art. Baseret på densitet funktionel teori, modellen kan simulere, hvad der sker inde i cement-/polymersystemet. Denne beregningsmæssige tilgang går meget længere end klassiske molekylære dynamikmodeller, der normalt ikke kan spore, hvordan bindinger brydes og dannes inde i cement. Som resultat, teamet byggede et modelkompleks nok til at repræsentere alle de fremtrædende træk ved cement/polymer -grænsefladen både i en gylle og i en hærdet tilstand.

Resultatet var overraskende og gik imod holdets første antagelser. Simuleringerne viste, at polymersvovlatomerne ikke binder til cementen, men i stedet pege væk. Dette er vigtigt, for hvis svovlatomerne var ansvarlige for cementens selvhelbredende evner, som holdet tidligere troede, binding på cementen ville hindre denne handling. Uventet, den vigtigste interaktion, der er ansvarlig for vedhæftning af selvhelende cement, er bindingen mellem alkoxidfunktionaliteter i polymeren og calciumatomer i cementen. Ud over, et stort antal hydrogenbinding-interaktioner, vist sig at eksistere over en lang række interatomiske interaktioner, viste sig at bidrage til den reversible binding, fordi de kan brydes lige så let, som de dannes.

Inspireret af disse fund, teamet satte sig for at undersøge yderligere ved hjælp af Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL) unikke billeddannelsesmuligheder. Sumfrekvensgenereringsspektroskopi er et værktøj, der er følsomt over for interaktioner ved grænsefladen mellem polymeren og cementen, men også mellem polymeren og luften. Denne detaljerede teknik isolerede alkoxid-calcium-interaktionen ved cement-polymer-grænsefladen og validerer deres rolle i helingsfunktionen af ​​disse nye kompositmaterialer. Dette eksperiment bekræftede også fraværet af atomare interaktioner, der involverer svovlatomerne i polymeren, yderligere validering af de teoretiske forudsigelser.

"Ærligt talt, det var temmelig hidtil usete simuleringer, ikke kun med hensyn til beregningskrav, men især for at skabe en molekylær model, der kan give en rimelig repræsentation af et så komplekst system, "sagde Glezakou.

"Manh gjorde et mesterligt stykke arbejde med at drille alle disse oplysninger ud af banerne. De fine detaljer i disse beregninger og analyser er ikke for sarte sjæle, "accepterede Rousseau.

Alt dette sammen var med til at forklare, hvordan den selvhelbredende cement fungerer, og viste, at cementen kan yde bedre end oprindeligt antaget. Det giver også teamet en bedre forståelse af, hvordan og hvorfor materialerne opfører sig som de gør, og kan afsløre måder at ændre og potentielt forbedre det yderligere.