Des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont mis au point un ciment auto-cicatrisant qui pourrait se réparer en aussi peu que quelques heures. Le ciment de puits pour applications géothermiques a une durée de vie de seulement 30 à 40 ans. Quand le ciment se fissure inévitablement, les réparations peuvent facilement dépasser 1,5 million de dollars par puits. Les scientifiques développent un ciment qui se fixe, en évitant des réparations extrêmement coûteuses. Le ciment convient aux applications géothermiques et pétrolières et gazières. Avec des milliers de puits de développement d'énergie souterraine chaque année, cette technologie peut avoir un impact considérable sur le coût de la production d'énergie.

Ça marche. Mais comment? Le chimiste du PNNL Carlos Fernandez et son équipe ont développé leur ciment auto-cicatrisant, et ils savaient que cela fonctionnait grâce à d'innombrables tests en laboratoire. Mais ils ne comprenaient pas tout à fait comment le ciment se comportait au niveau moléculaire. Ils voulaient comprendre ce qui motive la capacité de guérison de ces composites, et plus précisément ils voulaient connaître le rôle des atomes de soufre dans le polymère. Ces informations éclaireraient les faiblesses potentielles du composite ciment/polymère et la manière de modifier la formule pour améliorer la durabilité.

Les simulations informatiques par défaut sont réglées pour examiner les interactions au niveau moléculaire. Donc, Fernandez a fait appel à l'expertise de la scientifique informatique du PNNL Vassiliki-Alexandra Glezakou pour l'aider. L'équipe informatique composée de Glezakou, Manh-Thuong Nguyen, et Roger Rousseau a construit un modèle de simulation qui est le premier du genre. Basé sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, le modèle peut simuler ce qui se passe à l'intérieur du système ciment/polymère. Cette approche informatique va beaucoup plus loin que les modèles de dynamique moléculaire classiques qui ne peuvent normalement pas suivre la rupture et la formation des liaisons à l'intérieur du ciment. Par conséquent, l'équipe a construit un modèle suffisamment complexe pour représenter toutes les caractéristiques saillantes de l'interface ciment/polymère à la fois en suspension et à l'état durci.

Le résultat était surprenant et allait à l'encontre des hypothèses initiales de l'équipe. Les simulations ont montré que les atomes de soufre du polymère ne se fixent pas sur le ciment, mais pointez plutôt loin. Ceci est important car si les atomes de soufre étaient responsables des capacités d'auto-guérison du ciment, comme l'équipe le pensait auparavant, la liaison au ciment entraverait cette action. De façon inattendue, la principale interaction responsable de l'adhérence du ciment autocicatrisant est la liaison entre les fonctionnalités alcoxyde du polymère et les atomes de calcium du ciment. En outre, un grand nombre d'interactions de liaison hydrogène, il a été démontré qu'il existe sur une large gamme d'interactions interatomiques, se sont avérés contribuer à la liaison réversible car ils peuvent être aussi facilement brisés qu'ils sont formés.

Inspiré par ces découvertes, l'équipe a entrepris d'approfondir ses recherches en utilisant les capacités d'imagerie uniques du Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement (EMSL). La spectroscopie à génération de fréquence somme est un outil sensible aux interactions à l'interface entre le polymère et le ciment, mais aussi entre le polymère et l'air. Cette technique détaillée a isolé l'interaction alcoxyde-calcium à l'interface ciment-polymère et valider leur rôle dans la fonction de cicatrisation de ces nouveaux matériaux composites. Cette expérience a également confirmé l'absence d'interactions atomiques impliquant les atomes de soufre dans le polymère, valider davantage les prédictions théoriques.

"Franchement, il s'agissait de simulations plutôt inédites, pas seulement en termes de demandes de calcul, mais surtout pour créer un modèle moléculaire pouvant fournir une représentation raisonnable d'un système aussi complexe, " dit Glezakou.

"Manh a fait un travail magistral en extrayant toutes ces informations des trajectoires. Les détails fins de ces calculs et analyses ne sont pas pour les âmes sensibles, " acquiesça Rousseau.

Tout cela a contribué à expliquer le fonctionnement du ciment auto-cicatrisant, et a montré que le ciment peut fonctionner mieux qu'on ne le pensait à l'origine. Cela permet également à l'équipe de mieux comprendre comment et pourquoi les matériaux se comportent comme ils le font et peuvent révéler des moyens de les modifier et potentiellement de les améliorer davantage.