Durante semanas, la pizarra en el laboratorio estaba llena de garabatos, diagramas y fórmulas químicas. Un equipo de investigación en todo el Grupo Olivetti y el MIT Concrete Sostenity Hub (CSHUB) estaba funcionando intensamente en un problema clave: ¿Cómo podemos reducir la cantidad de cemento en concreto para ahorrar costos y emisiones?
La pregunta ciertamente no era nueva; Materiales como las cenizas volantes, un subproducto de la producción de carbón, y la escoria, un subproducto de la creación de acero, se han utilizado durante mucho tiempo para reemplazar parte del cemento en mezclas de concreto. Sin embargo, la demanda de estos productos está superando a la oferta a medida que la industria busca reducir sus impactos climáticos al expandir su uso, haciendo que la búsqueda de alternativas sea urgente. El desafío que descubrió el equipo no era la falta de candidatos; El problema era que había demasiados para clasificar.
El 17 de mayo, el equipo, dirigido por Postdoc Soroush Mahjoubi, publicó un artículo de acceso abierto en la naturaleza Materiales de comunicación describiendo su solución. «Nos dimos cuenta de que AI era la clave para avanzar», señala Mahjoubi. «Hay tantos datos sobre materiales potenciales: cientos de miles de páginas de literatura científica. ¡Ordenarlos habría tomado muchas vidas de trabajo, momento en el cual se habrían descubierto más materiales!»
Con modelos de idiomas grandes, como los chatbots, muchos de nosotros usamos a diario, el equipo construyó un marco de aprendizaje automático que evalúa y clasifica materiales candidatos en función de sus propiedades físicas y químicas.
«Primero, hay reactividad hidráulica. La razón por la que el concreto es fuerte es ese cemento, el ‘pegamento’ que lo mantiene unido, se endurece cuando se expone al agua. Entonces, si reemplazamos este pegamento, debemos asegurarnos de que el sustituto reaccione de manera similar», explica Mahjoubi. «En segundo lugar, hay pozzolanicidad. Esto es cuando un material reacciona con hidróxido de calcio, un subproducto creado cuando el cemento se encuentra con agua, para que el concreto sea más duro y fuerte con el tiempo. Necesitamos equilibrar los materiales hidráulicos y puzolánicos en la mezcla para que el concreto funcione en su mejor momento».
Analizando la literatura científica y más de 1 millón de muestras de roca, el equipo utilizó el marco para clasificar los materiales candidatos en 19 tipos, desde biomasa hasta subproductos mineros y materiales de construcción demolidos. Mahjoubi y su equipo descubrieron que los materiales adecuados estaban disponibles a nivel mundial, y, más impresionantemente, muchos podrían incorporarse en mezclas de concreto simplemente moliendolos. Esto significa que es posible extraer emisiones y ahorros de costos sin mucho procesamiento adicional.
«Algunos de los materiales más interesantes que podrían reemplazar una porción de cemento son la cerámica», señala Mahjoubi. «Azulejos viejos, ladrillos, cerámica: todos estos materiales pueden tener alta reactividad. Eso es algo que hemos observado en el antiguo concreto romano, donde se agregaron cerámica para ayudar a las estructuras impermeables. He tenido muchas conversaciones interesantes sobre esto con el profesor admirado Masic, que lidera muchos de los antiguos estudios de concreto aquí en MIT».
El potencial de los materiales cotidianos como la cerámica y los materiales industriales como los relaves de las minas es un ejemplo de cómo materiales como el concreto pueden ayudar a permitir una economía circular. Al identificar y reutilizar materiales que de otro modo terminarían en vertederos, los investigadores y la industria pueden ayudar a dar a estos materiales una segunda vida como parte de nuestros edificios e infraestructura.
Mirando hacia el futuro, el equipo de investigación planea actualizar el marco para que sea capaz de evaluar aún más materiales, al tiempo que validan experimentalmente algunos de los mejores candidatos. «Las herramientas de IA han llegado a esta investigación en poco tiempo, y estamos entusiasmados de ver cómo los últimos desarrollos en modelos de idiomas grandes permiten los próximos pasos», dice la profesora Elsa Olivetti, autora senior del trabajo y miembro del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. Ella se desempeña como directora de misión del Proyecto Climático del MIT, investigadora principal de CSHUB y líder del Grupo Olivetti.
«El concreto es la columna vertebral del entorno construido», dice Randolph Kirchain, coautor y director de CSHUB. “Al aplicar la ciencia de datos y las herramientas de IA al diseño de materiales, esperamos apoyar los esfuerzos de la industria para construir de manera más sostenible, sin comprometer la fuerza, la seguridad o la durabilidad.
Además de Mahjoubi, Olivetti y Kirchain, los coautores del trabajo incluyen MIT Postdoc Vineeth Venugopal, Ipek Bensu Manav SM ’21, PhD ’24; y el subdirector de CSHUB Hessam Azarijafari.
