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美國老化的基礎(chǔ)設(shè)施需要耗費大量資金來進行維護。據(jù)土木工程師學(xué)會估計，美國用于修復(fù)道路、橋梁、大壩和其他基礎(chǔ)設(shè)施的資金將于2025年達到驚人的4.5萬億美元。
如果能將某種不隨時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。
土木與環(huán)境工程助理教授Mohammad JavadAbdolhosseiniQomi與工程專業(yè)研究生Ali Morshedifard開發(fā)了一種數(shù)值方法來模擬非晶質(zhì)材料，如混凝土和玻璃等材料的分子老化過程。這項技術(shù)不僅可以幫助研究人員更好地了解材料隨時間退化的過程，還可能開發(fā)出能永久保留其原有強度的材料。他們將這項研究成果發(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，因此對微觀變化保持長時間的追蹤幾乎是一項不可能完成的任務(wù)。Qomi解釋道：“在計算機模擬材料變化的過程中，一千萬億次的模擬步驟只能捕捉到材料一秒鐘的變化。這甚至無法讓我們接近衰老現(xiàn)象相關(guān)的時間尺度，這是因為衰老現(xiàn)象的時間尺度一般都持續(xù)數(shù)年乃至數(shù)十年。”
在這項技術(shù)中，Qomi和他的研究生將材料分子置于循環(huán)應(yīng)力的波動中，然后追蹤觀察材料對這種波動的反應(yīng)。該論文的第一作者Morshedifard表示：“水化水泥是由納米級圓盤狀的小球組成的。我們在偶然之中發(fā)現(xiàn)這些小球在持續(xù)的負載下會逐漸變形，但經(jīng)過一定時間后，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和他的研究團隊計劃利用這項新技術(shù)來探索結(jié)構(gòu)材料的組成和結(jié)構(gòu)與時間依賴行為之間的關(guān)系。
Qomi最后還補充道：“聯(lián)邦公路管理局每年花費800多億美元來修復(fù)發(fā)生了老化現(xiàn)象的橋梁，而了解材料的老化機制則是設(shè)計抗老化材料的第一步，這可以為納稅人節(jié)省大量的金錢。”
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