В лаборатории Массачусетского технологического института (MIT) группа исследователей из Olivetti Group и MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub) активно работала над решением ключевой проблемы: как уменьшить количество цемента в бетоне, чтобы сократить расходы и выбросы?
Этот вопрос, конечно, не нов; такие материалы, как летучая зола (побочный продукт производства угля) и шлак (побочный продукт сталеплавления), уже давно используются для замены части цемента в бетонных смесях. Однако спрос на эти продукты опережает предложение, поскольку промышленность стремится сократить своё климатическое воздействие, расширяя их использование. Поиск альтернатив стал срочной задачей.
Команда обнаружила, что проблема не в нехватке кандидатов, а в том, что их слишком много. 17 мая команда под руководством постдока Соруша Махджуби опубликовала в открытом доступе статью в журнале Nature’s Communications Materials, в которой изложила своё решение.
«Мы поняли, что ИИ — это ключ к продвижению вперёд», — отмечает Махджуби. «Существует так много данных о потенциальных материалах — сотни тысяч страниц научной литературы. Их изучение заняло бы целую жизнь, к тому времени были бы открыты новые материалы!»
С помощью больших языковых моделей, подобных тем, что мы используем ежедневно в виде чат-ботов, команда создала фреймворк машинного обучения, который оценивает и сортирует материалы-кандидаты на основе их физических и химических свойств.
«Во-первых, есть гидравлическая активность. Бетон прочный, потому что цемент — „клей“, который скрепляет его, — твердеет при контакте с водой. Поэтому, если мы заменим этот клей, нужно убедиться, что заменитель реагирует аналогичным образом», — объясняет Махджуби. «Во-вторых, есть пуццолановость. Это когда материал реагирует с гидроксидом кальция, побочным продуктом, который образуется, когда цемент встречается с водой, делая бетон более твёрдым и прочным со временем. Нам нужно сбалансировать гидравлические и пуццолановые материалы в смеси, чтобы бетон работал наилучшим образом».
Анализируя научную литературу и более миллиона образцов горных пород, команда использовала фреймворк для сортировки материалов-кандидатов по 19 типам: от биомассы до побочных продуктов горнодобывающей промышленности и разрушенных строительных материалов. Махджуби и его команда обнаружили, что подходящие материалы доступны по всему миру, и, что ещё более впечатляюще, многие из них можно включить в бетонные смеси, просто измельчив их. Это означает, что можно добиться снижения выбросов и экономии средств без дополнительной переработки.
«Некоторые из наиболее интересных материалов, которые могут заменить часть цемента, — это керамика», — отмечает Махджуби. «Старые плитки, кирпичи, керамика — все эти материалы могут иметь высокую реактивность. Это то, что мы наблюдали в древнеримском бетоне, где для водонепроницаемости конструкций добавляли керамику».
Потенциал повседневных материалов, таких как керамика, и промышленных материалов, таких как хвостовые шлаки, является примером того, как такие материалы, как бетон, могут способствовать развитию циркулярной экономики. Выявляя и перепрофилируя материалы, которые в противном случае оказались бы на свалках, исследователи и промышленность могут помочь дать этим материалам вторую жизнь в составе наших зданий и инфраструктуры.
В будущем исследовательская группа планирует модернизировать фреймворк, чтобы он мог оценивать ещё больше материалов, а также экспериментально проверить некоторых лучших кандидатов.
«Инструменты ИИ продвинули это исследование далеко вперёд за короткое время, и мы рады видеть, как последние разработки в области больших языковых моделей позволят сделать следующие шаги», — говорит профессор Эльза Оливетти, старший автор работы и член кафедры материаловедения и инженерии MIT. Она является директором миссии MIT Climate Project, главным исследователем CSHub и лидером Olivetti Group.
«Бетон — это основа искусственной среды», — говорит Рэндольф Кирчейн, соавтор и директор CSHub. «Применяя науку о данных и инструменты ИИ для проектирования материалов, мы надеемся поддержать усилия промышленности по более устойчивому строительству без ущерба для прочности, безопасности и долговечности».
Помимо Махджуби, Оливетти и Кирчейна, среди соавторов работы — постдок MIT Винид Венугопал, Ипек Бенсу Манав SM ’21, PhD ’24 и заместитель директора CSHub Хессам АзариДжафари.