L’università della Southern California ha messo a punto un sistema di intelligenza artificiale in grado di replicare l’interazione di oltre 4 miliardi di atomi contemporaneamente. Questo modello apre la strada a una progettazione più precisa di materiali capaci di assorbire anidride carbonica e ridurre l’impatto ambientale, con applicazioni immediate nell’edilizia e non solo.
Allegro-fm: il cuore della simulazione atomica su larga scala
Allegro-FM è il software sviluppato alla USC e collocato sul supercomputer Aurora all’Argonne National Laboratory. A idearlo sono stati Aiichiro Nakano e Ken-Ichi Nomura, esperti rispettivamente in informatica, fisica e ingegneria chimica. La particolarità di questo modello sta nella capacità di simulare in pochi istanti il comportamento di oltre 4 miliardi di atomi, superando ampiamente la scala dei metodi tradizionali che operano su milioni di particelle. Il programma copre un ampio spettro di elementi chimici e raggiunge una precisione stimata al 97,5% nel predire sia le reazioni chimiche sia le proprietà fisiche dei materiali esaminati.
Questa tecnologia permette di analizzare con rigore le interazioni tra componenti complessi, come quelli del calcestruzzo, aiutando a identificare la combinazione di materie prime e le condizioni di produzione maggiormente idonee a limitare le emissioni climalteranti mantenendo intatta la qualità finale. L’idea chiave è intervenire direttamente sul materiale da costruzione, utilizzato in larga misura nell’edilizia, settore noto per il suo elevato impatto ambientale.
Calcestruzzo carbon-negative, il primo esempio concreto di applicazione
Il progetto ha preso forma subito con uno studio sul calcestruzzo capace di assorbire CO2 dall’aria, creando di fatto un materiale carbon-negative. Attraverso le simulazioni di Allegro-FM è stato possibile progettare composizioni chimiche che incorporano l’anidride carbonica prodotta durante la fabbricazione stessa. Così il calcestruzzo assorbe ciò che normalmente viene emesso, senza perdere resistenza o durabilità. Nakano ha spiegato che “iniettare CO2 nel calcestruzzo trasforma il prodotto finale in qualcosa vicino a zero emissioni di carbonio.”
Questa innovazione avrebbe un impatto diretto in ambito urbano e in tutte le realtà dove gli stress climatici mettono a dura prova le infrastrutture. Un calcestruzzo più resistente e che rimuove gas serra dall’atmosfera può modificare significativamente il modo in cui si pensano edilizia e rigenerazione urbana, offrendo nuove opportunità per costruzioni meno impattanti e più durature.
Radici storiche e tecnologia moderna: il legame con l’antica roma
L’ispirazione per migliorare la durata del nuovo calcestruzzo proviene da studi sul materiale impiegato nell’antica Roma, noto per la sua longevità superiore agli standard odierni. I ricercatori hanno integrato anidride carbonica nella miscela per rafforzare lo strato di carbonato, la cui formazione nel tempo rendeva il cemento romano più solido rispetto ai prodotti moderni, che mediamente durano meno di 100 anni.
Allegro-FM sfrutta il machine learning per bypassare calcoli meccanico-quantistici complessi e dispendiosi in termini temporali e finanziari. Questo accelera la ricerca di formule innovative, consentendo una simulazione rapida dei processi che coinvolgono materiali con diverse fasi, elementi chimici e sistemi di interfacce. Nomura ha sottolineato che “il calcestruzzo è un materiale complicato da simulare perché formato da molteplici componenti, ma ora il team ha uno strumento che supera quasi tutti gli ostacoli legati all’analisi delle proprietà meccaniche e strutturali.”
Prospettive future e ampliamento delle simulazioni atomiche
Il team di scienziati non si ferma qui. L’obiettivo è estendere le capacità di Allegro-FM a materiali con geometrie più articolate, modelli tridimensionali complessi e superfici diverse. Ciò aumenterebbe ulteriormente la possibilità di progettare materiali con caratteristiche specifiche di resistenza, durata e ridotto impatto ambientale.
La pubblicazione recente della ricerca su The Journal of Physical Chemistry Letters, accompagnata dall’immagine di copertina realizzata con questo progetto, testimonia il valore e l’interesse che la comunità scientifica ha mostrato verso questa nuova frontiera nella scienza dei materiali. L’intelligenza artificiale, con questo approccio, apre una strada precisa per affrontare problemi concreti come la riduzione delle emissioni nell’industria edilizia e lo sviluppo di materiali all’avanguardia in vista del cambiamento climatico.
