» Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford (Hoa Kỳ) đã phát triển một phương pháp toán học chính xác giúp xác định cấu trúc vi mô của vật liệu hỗn hợp như bê tông hoặc đá. Kết quả này mở ra hướng thiết kế vật liệu bền hơn, tiết kiệm hơn và góp phần giảm phát thải trong ngành Xây dựng.
Hiểu rõ cấu trúc vi mô bên trong của bê tông - vật liệu gắn liền với xi măng là chìa khóa để nâng cao độ bền, tối ưu cấp phối và giảm phát thải CO₂ trong quá trình sản xuất. Mô hình Poisson, vốn được sử dụng để mô phỏng vật liệu không đồng nhất, nay đã được các nhà khoa học tại Stanford giải chính xác, mở ra khả năng mô phỏng và thiết kế vật liệu xây dựng với độ chính xác chưa từng có.
Vật liệu hỗn hợp như bê tông được hình thành từ nhiều thành phần phân bố ngẫu nhiên trong không gian. Việc hiểu rõ vị trí, mật độ và tương quan giữa các thành phần này giúp các nhà khoa học và kỹ sư xác định cách vật liệu chịu tải, truyền lực, dẫn nhiệt hay phản ứng với môi trường. Tuy nhiên, các mô hình mô phỏng trước đây chưa đủ chính xác để phản ánh các đặc điểm đó.
Mô hình Poisson là một phương pháp chia không gian bằng các mặt phẳng ngẫu nhiên (hyperplane) nhằm mô tả cấu trúc không đồng nhất của vật liệu. Dù được ứng dụng rộng rãi trong các bài toán truyền bức xạ hay phân tích vật liệu tổ hợp, mô hình này lâu nay vẫn thiếu các công thức mô tả chính xác mối liên hệ giữa nhiều điểm trong không gian vật liệu là một yếu tố quan trọng để dự đoán hành vi cơ học và vật lý thực tế.
Trong nghiên cứu mới, nhóm của Alec Shelley, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Stanford đã đưa ra lời giải cho bài toán đó. Bằng cách kết hợp mô hình Poisson với một phương pháp toán học có độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu có thể xác định đặc tính vi mô của vật liệu chỉ từ dữ liệu thu được tại một điểm ngẫu nhiên. Cách tiếp cận này cho phép mô phỏng chính xác cấu trúc của các vật liệu như cát, đá, bê tông và nhiều hệ vật chất phức tạp khác.
Shelley cho biết nhóm của anh đã giải được mô hình Poisson dành cho vật liệu không đồng nhất, và cho rằng kết quả này có thể tạo ra ảnh hưởng sâu rộng vì các vật liệu dị thể xuất hiện phổ biến trong tự nhiên, trong khi các mô hình mô tả chúng trước đây hầu như chưa có nghiệm chính xác.
Cấu trúc vi mô của vật liệu quyết định hàng loạt tính chất kỹ thuật như độ cứng, độ bền kéo, khả năng đàn hồi, dẫn điện, dẫn nhiệt hay độ thấm của chất lỏng và khí. Theo Giáo sư Daniel Tartakovsky, đồng tác giả nghiên cứu, phương pháp mới cho phép thiết kế vật liệu composite có tính năng theo yêu cầu thông qua việc điều chỉnh thành phần và tỷ lệ phối trộn phù hợp.
Nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục phát triển mô hình này để dự đoán chi tiết các tính chất phụ thuộc cấu trúc vi mô. Ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu trải rộng từ vật liệu xây dựng cho đến năng lượng, môi trường và lưu trữ chất thải.
Trong lĩnh vực xi măng và bê tông, kết quả nghiên cứu được đánh giá là có ý nghĩa đặc biệt. Bê tông chứa nhiều lỗ rỗng siêu nhỏ bên trong; việc mô hình hóa chính xác các khoảng rỗng này có thể giúp kỹ sư tối ưu cấp phối, bổ sung phụ gia như tro bay, xỉ hoặc biochar để lấp đầy các khe hở. Nhờ đó, lượng xi măng cần dùng được giảm đáng kể, vừa hạ phát thải CO₂ trong sản xuất, vừa tăng cường độ bền và hiệu quả kinh tế của vật liệu.
Tartakovsky cho rằng mô hình Poisson còn có thể áp dụng cho các hệ vật liệu phức tạp như đá gãy, môi trường xốp hay tầng chứa nước ngầm là những đối tượng có vai trò quan trọng trong quản lý tài nguyên, chôn lấp chất thải hạt nhân, khai thác địa nhiệt và lưu trữ carbon. Ông nhận định việc giải được các hàm tương quan đa điểm trong mô hình này sẽ cung cấp công cụ mới giúp hiểu và dự đoán chính xác hơn hành vi của các hệ thống phức tạp.
Shelley cho biết nhóm nghiên cứu đã phải xử lý khối lượng lớn phép toán khi mở rộng mô hình lên nhiều điểm trong không gian. Các bài toán 2 điểm tương đối đơn giản, nhưng khi tăng lên ba hay bốn điểm, số lượng biểu thức tăng theo cấp số nhân. Việc sử dụng mô phỏng máy tính đã giúp rút ngắn đáng kể thời gian tính toán và đảm bảo độ chính xác của kết quả. Anh cũng chia sẻ rằng, với nền tảng toán học vững vàng từ thời đại học, việc giải quyết các phép tính phức tạp này không chỉ là thách thức mà còn là niềm yêu thích của bản thân.
Nghiên cứu này được xem là bước tiến đáng kể trong lĩnh vực mô phỏng vật liệu không đồng nhất. Đối với lĩnh vực xi măng và bê tông, việc nâng cao độ chính xác trong mô hình hóa cấu trúc vi mô có thể mang lại lợi ích rõ rệt: tăng cường độ bền, tối ưu chi phí sản xuất và giảm tác động môi trường.
Cem.Info
