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Enfim, decodificada a estrutura molecular do cimento.

Uma forma particular de cimento foi utilizada no Império Romano para a construção de um vasto sistema de aquedutos ou de outros grandes edifícios antigos de inúmeros países da região do mediterrâneo.

De modo surpreendente, a estrutura cristalina tridimensional do hidrato de cimento - a pasta que se forma quando se mistura o cimento em pó com água e que endurece rapidamente - resistiu à toda tentativa de decodificação científica, e isso, ainda que o cimento seja o material mais fabricado na Terra e que represente um mercado de muitos bilhões de dólares, estando ligado a questões ambientais consideráveis. A fabricação do cimento é, de fato, por si só, responsável por 5% de todas as emissões de dióxido de carbono em escala mundial. Os novos padrões de emissão de gás de efeito estufa, propostos pelas Agências de Proteção do Ambiente Americana e Européia poderiam empurrar a indústria do cimento para uma deslocalização para países em via de desenvolvimento.

Enquanto "o cimento é utilizado como material de construção e sua substituição não acontecerá proximamente", anuncia-se (enfim!) a decodificação da estrutura tridimensional da unidade de base do hidrato de cimento, pelos pesquisadores do CNRS (França) e do MIT (EUA) envolvidos no projeto "Pedra Líquida".

"O nosso é o primeiro modelo realista do hidrato de cimento e, agora, a comunidade científica pode trabalhar com ele", disse Yip, do Departamento de Engenharia e Ciência Nuclear (NSE) do MIT. "Em todas as áreas há avanços que permitem a comunidade de pesquisadores progredir. Um exemplo é a descoberta da fissão nuclear. Outro exemplo é aquele de Watson e Crick que descobriram a estrutura de base do DNA, cujo modelo molecular deu as bases para a Biologia Molecular".

Os cientistas, por muito tempo, pensavam que, em nível atômico, o hidrato de cimento se assemelhava com um mineral relativamente raro, a Tobermorita, cuja geometria ordenada se compõe de camadas ordenadas de sílica infinitamente longas, intercaladas por camadas de óxido de cálcio.

A equipe CNRS-MIT descobriu que o hidrato de cimento não é verdadeiramente um cristal, mas antes um híbrido, cujas características têm tanto estruturas cristalinas quanto amorfas (não-cristalinas) como o vidro. E é nesses lugares desordenados - onde rupturas entre tetraedros de sílica criam pequenos vazios nas camadas correspondentes de óxido de cálcio - que se ligam (adsorvem) as moléculas de água. Esses "defeitos", numa estrutura que, sem isso, seria geométrica, dão ao material de construção uma certa flexibilidade em nível atômico, que é conservada em escala macroscópica. Submetido a tensões, o hidrato de cimento se estira um pouco, mas não se quebra.

"Era sabido, há muitos anos, que o hidrato de cimento, na escala atômica, se encontrava sob a forma de um empilhamento compacto, lembrando as pirâmides de laranjas nas bancas de frutas. Doravante, podemos observar o interior das laranjas. Chamo isso de DNA do cimento", diz o Professor do MIT, Franz-Josef Ulm, do Departamento do Ambiente e de Engenharia Civil (CEE) do MIT, igualmente co-autor da publicação. "Onde a água enfraquece um material como a Tobermorita, ela reforça o hidrato de cimento. A desordem, ou a complexidade de sua química, cria uma estrutura heterogênea robusta. Desde que validamos um modelo molecular, podemos agora manipular a estrutura química, a fim de fabricar cimento em função das qualidades de nosso interesse, como resistência a pressões ou temperaturas elevadas," disse Ulm.

Roland Pellenq pôs o dedo na estrutura do hidrato de cimento utilizando a simulação numérica em escala atômica, graças ao cluster de cálculo do CINaM - Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (França) (260 processadores) e utilizando um método estatístico chamado simulação de Monte-Carlo no Grande Conjunto Canônico. Como o nome indica, essa simulação necessita a utilização de probabilidades a fim de obter o resultado. Roland Pellenq retirou, inicialmente, todas as moléculas de água da estrutura de base da Tobermorita, observou seu colapso, depois repôs uma molécula de água, depois duas, depois três, etc..., retirando-as cada vez para permitir à estrutura reencontrar a forma que ela adotaria naturalmente. Na 104a molécula de água, o peso molecular correto do hidrato de cimento tendo sido atingido, o pesquisador tinha um modelo realista da estrutura geométrica da unidade de base do hidrato de cimento.





Modelo em escala atômica: esferas brancas e azuis: moléculas de água; bastões amarelos e vermelhos: tetraedros de sílica; esferas cinza e verdes: íons cálcio.

Créditos: A. Baronnet, CINaM, CNRS e Universidade de Marselha.


A equipe CNRS-MIT utilizou então esse modelo atômico para efetuar diferentes testes para avaliar seu grau de validade. "Isso nos dá um ponto de partida para conduzir experiências numéricas a fim de melhorar as propriedades mecânicas ou a durabilidade do cimento. Por exemplo, podemos agora começar a substituir, em nosso modelo, o silício por outros elementos como o alumínio, o ferro, etc...", confirma Roland Pellenq.

Os outros membros da equipe são Rouzbeh Shahsavari (doutorando), Professor Markus Buehler, do Departamento CEE-MIT, Professor Krystyn Van Vliet, do Departamento de Ciências dos Materiais e Engenharia do MIT e o Dr. Akihiro Kushima, pós-doutorando no Departamento NSE. A pesquisa foi financiada pela fabricante portuguesa de cimento Cimpor Corp., através do programa de cooperação MIT-Portugal.

CNRS (Tradução - MIA).


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