Pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) desenvolveram um cimento autocurante que pode se reparar em apenas algumas horas. O cimento de poço para aplicações geotérmicas tem uma vida útil de apenas 30 a 40 anos. Quando o cimento inevitavelmente racha, os reparos podem facilmente chegar a US $ 1,5 milhão de dólares por poço. Os cientistas estão desenvolvendo cimento que se conserta sozinho, evitando reparos extremamente caros. O cimento é adequado para aplicações geotérmicas e de óleo e gás. Com milhares de poços de desenvolvimento de energia subterrâneos anualmente, essa tecnologia pode ter um impacto dramático no custo de produção de energia.

Funciona. Mas como? O químico Carlos Fernandez da PNNL e sua equipe desenvolveram seu cimento autocurativo, e eles sabiam que funcionava graças a inúmeros testes em laboratório. Mas eles não entendiam inteiramente como o cimento se comportava no nível molecular. Eles queriam entender o que impulsiona a capacidade de cura desses compostos, e mais especificamente eles queriam saber o papel dos átomos de enxofre no polímero. Esta informação iluminaria as fraquezas potenciais no compósito de cimento / polímero e como modificar a fórmula para melhorar a durabilidade.

As simulações de computador, por padrão, são ajustadas para observar as interações em nível molecular. Então, Fernandez contou com a experiência da cientista computacional do PNNL Vassiliki-Alexandra Glezakou para ajudar. A equipe computacional composta por Glezakou, Manh-Thuong Nguyen, e Roger Rousseau construiu um modelo de simulação que é o primeiro desse tipo. Com base na teoria do funcional de densidade, o modelo pode simular o que ocorre dentro do sistema cimento / polímero. Esta abordagem computacional vai muito além dos modelos clássicos de dinâmica molecular que normalmente não conseguem rastrear como as ligações se rompem e se formam dentro do cimento. Como resultado, a equipe construiu um modelo complexo o suficiente para representar todas as características salientes da interface cimento / polímero tanto em uma pasta quanto em um estado curado.

O resultado foi surpreendente e foi contra as suposições iniciais da equipe. As simulações mostraram que os átomos de enxofre do polímero não se ligam ao cimento, mas em vez disso, aponte para longe. Isso é importante porque se os átomos de enxofre fossem responsáveis ​​pelas habilidades de autocura do cimento, como a equipe pensava anteriormente, a ligação ao cimento dificultaria esta ação. Inesperadamente, a principal interação responsável pela adesão do cimento autocurante é a ligação entre as funcionalidades alcóxido no polímero e os átomos de cálcio no cimento. Além disso, um grande número de interações de ligações de hidrogênio, demonstrou existir em uma grande variedade de interações interatômicas, foram encontrados para contribuir para a ligação reversível porque eles podem ser quebrados tão facilmente quanto são formados.

Inspirado por essas descobertas, a equipe decidiu investigar mais usando os recursos de imagem exclusivos do Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais (EMSL). A espectroscopia de geração de frequência de soma é uma ferramenta sensível às interações na interface entre o polímero e o cimento, mas também entre o polímero e o ar. Esta técnica detalhada isolou a interação alcóxido-cálcio na interface cimento-polímero e validou seu papel na função de cicatrização desses novos materiais compósitos. Este experimento também confirmou a ausência de quaisquer interações atômicas envolvendo os átomos de enxofre no polímero, validar ainda mais as previsões teóricas.

"Honestamente, eram simulações sem precedentes, não apenas em termos de demandas computacionais, mas especialmente para a criação de um modelo molecular que pode fornecer uma representação razoável de um sistema tão complexo, "disse Glezakou.

"Manh fez um trabalho magistral ao extrair todas essas informações das trajetórias. Os pequenos detalhes desses cálculos e análises não são para os fracos de coração, "concordou Rousseau.

Tudo isso junto ajudou a explicar como funciona o cimento de autocura, e mostrou que o cimento pode ter um desempenho melhor do que se pensava originalmente. Também dá à equipe um melhor entendimento de como e por que os materiais se comportam da maneira que se comportam e pode revelar maneiras de modificá-los e, potencialmente, melhorá-los ainda mais.