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 美國老化的基礎設施需要耗費大量資金來進行維護。據(jù)土木工程師學會估計，美國用于修復道路、橋梁、大壩和其他基礎設施的資金將于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設施的建設，那將大大節(jié)約維護成本。而加州大學爾灣分校的研究人員提出的一種新型模擬技術，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材料，如混凝土和玻璃等材料的分子老化過程。這項技術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。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。”

      在這項技術中，Qomi和他的研究生將材料分子置于循環(huán)應力的波動中，然后追蹤觀察材料對這種波動的反應。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來探索結構材料的組成和結構與時間依賴行為之間的關系。

      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。”