研究人员用模拟技术预测设施的使用寿命

美国老化的基础设施需要耗费大量资金来进行维护。据土木工程师学会估计，美国用于修复道路、桥梁、大坝和其他基础设施的资金将于2025年达到惊人的4.5万亿美元。

如果能将某种不随时间老化的材料用于以上基础设施的建设，那将大大节约维护成本。而加州大学尔湾分校的研究人员提出的一种新型模拟技术，则可以帮助工程师们做到这一点。

土木与环境工程助理教授Mohammad JavadAbdolhosseiniQomi与工程专业研究生Ali Morshedifard开发了一种数值方法来模拟非晶质材料，如混凝土和玻璃等材料的分子老化过程。这项技术不仅可以帮助研究人员更好地了解材料随时间退化的过程，还可能开发出能永久保留其原有强度的材料。他们将这项研究成果发表在了本周的Nature Communications上。

研究表明，衰老发生在原子或分子层面上。由于这种尺度非常微小，因此对微观变化保持长时间的追踪几乎是一项不可能完成的任务。Qomi解释道：“在计算机模拟材料变化的过程中，一千万亿次的模拟步骤只能捕捉到材料一秒钟的变化。这甚至无法让我们接近衰老现象相关的时间尺度，这是因为衰老现象的时间尺度一般都持续数年乃至数十年。”

在这项技术中，Qomi和他的研究生将材料分子置于循环应力的波动中，然后追踪观察材料对这种波动的反应。该论文的第一作者Morshedifard表示：“水化水泥是由纳米级圆盘状的小球组成的。我们在偶然之中发现这些小球在持续的负载下会逐渐变形，但经过一定时间后，变形就停止了。此外我们还发现，小球的集体行为使材料发生了非渐近变形，我们认为这是在胶结材料中蠕变现象的主因。在恒定的压力下，看到粘弹性和对数变形在原子层面上的成因是很有趣的。”

Qomi和他的研究团队计划利用这项新技术来探索结构材料的组成和结构与时间依赖行为之间的关系。

Qomi最后还补充道：“联邦公路管理局每年花费800多亿美元来修复发生了老化现象的桥梁，而了解材料的老化机制则是设计抗老化材料的第一步，这可以为纳税人节省大量的金钱。”

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