研究人員用材料老化模擬技術(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的使用壽命

    美國(guó)老化的基礎(chǔ)設(shè)施需要耗費(fèi)大量資金來(lái)進(jìn)行維護(hù)。據(jù)土木工程師學(xué)會(huì)估計(jì)，美國(guó)用于修復(fù)道路、橋梁、大壩和其他基礎(chǔ)設(shè)施的資金將于2025年達(dá)到驚人的4.5萬(wàn)億美元。

    如果能將某種不隨時(shí)間老化的材料用于以上基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，那將大大節(jié)約維護(hù)成本。而加州大學(xué)爾灣分校的研究人員提出的一種新型模擬技術(shù)，則可以幫助工程師們做到這一點(diǎn)。

    土木與環(huán)境工程助理教授Mohammad JavadAbdolhosseiniQomi與工程專(zhuān)業(yè)研究生Ali Morshedifard開(kāi)發(fā)了一種數(shù)值方法來(lái)模擬非晶質(zhì)材料，如混凝土和玻璃等材料的分子老化過(guò)程。這項(xiàng)技術(shù)不僅可以幫助研究人員更好地了解材料隨時(shí)間退化的過(guò)程，還可能開(kāi)發(fā)出能永久保留其原有強(qiáng)度的材料。他們將這項(xiàng)研究成果發(fā)表在了本周的Nature Communications上。

    研究表明，衰老發(fā)生在原子或分子層面上。由于這種尺度非常微小，因此對(duì)微觀變化保持長(zhǎng)時(shí)間的追蹤幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。Qomi解釋道：“在計(jì)算機(jī)模擬材料變化的過(guò)程中，一千萬(wàn)億次的模擬步驟只能捕捉到材料一秒鐘的變化。這甚至無(wú)法讓我們接近衰老現(xiàn)象相關(guān)的時(shí)間尺度，這是因?yàn)樗ダ犀F(xiàn)象的時(shí)間尺度一般都持續(xù)數(shù)年乃至數(shù)十年。”

    在這項(xiàng)技術(shù)中，Qomi和他的研究生將材料分子置于循環(huán)應(yīng)力的波動(dòng)中，然后追蹤觀察材料對(duì)這種波動(dòng)的反應(yīng)。該論文的第一作者M(jìn)orshedifard表示：“水化水泥是由納米級(jí)圓盤(pán)狀的小球組成的。我們?cè)谂既恢邪l(fā)現(xiàn)這些小球在持續(xù)的負(fù)載下會(huì)逐漸變形，但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，變形就停止了。此外我們還發(fā)現(xiàn)，小球的集體行為使材料發(fā)生了非漸近變形，我們認(rèn)為這是在膠結(jié)材料中蠕變現(xiàn)象的主因。在恒定的壓力下，看到粘彈性和對(duì)數(shù)變形在原子層面上的成因是很有趣的。”

    Qomi和他的研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用這項(xiàng)新技術(shù)來(lái)探索結(jié)構(gòu)材料的組成和結(jié)構(gòu)與時(shí)間依賴(lài)行為之間的關(guān)系。

    Qomi最后還補(bǔ)充道：“聯(lián)邦公路管理局每年花費(fèi)800多億美元來(lái)修復(fù)發(fā)生了老化現(xiàn)象的橋梁，而了解材料的老化機(jī)制則是設(shè)計(jì)抗老化材料的第一步，這可以為納稅人節(jié)省大量的金錢(qián)。”

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