Ante la creciente demanda de alternativas al cemento, un equipo del MIT utiliza el aprendizaje automático para buscar nuevos ingredientes en la literatura científica.
Durante semanas, la pizarra del laboratorio estuvo repleta de garabatos, diagramas y fórmulas químicas. Un equipo de investigación del Grupo Olivetti y el Centro de Sostenibilidad del Hormigón del MIT (CSHub) trabajaba intensamente en un problema clave: ¿Cómo podemos reducir la cantidad de cemento en el hormigón para ahorrar costes y emisiones?
La pregunta no era nueva; materiales como las cenizas volantes, un subproducto de la producción de carbón, y la escoria, un subproducto de la fabricación de acero, se han utilizado desde hace mucho tiempo para sustituir parte del cemento en las mezclas de hormigón. Sin embargo, la demanda de estos productos supera la oferta, ya que la industria busca reducir su impacto climático ampliando su uso, lo que hace urgente la búsqueda de alternativas. El reto que descubrió el equipo no fue la falta de candidatos; el problema fue que había demasiados para analizar.
El 17 de mayo, el equipo, dirigido por el posdoctorado Soroush Mahjoubi, publicó un artículo de acceso abierto en la revista Nature Communications Materials donde describe su solución. «Nos dimos cuenta de que la IA era la clave para avanzar», señala Mahjoubi. «Existe una gran cantidad de datos sobre materiales potenciales: cientos de miles de páginas de literatura científica. Analizarlos habría llevado muchas vidas de trabajo, ¡y para entonces se habrían descubierto más materiales!».
Con modelos de lenguaje grandes, como los chatbots que muchos de nosotros usamos a diario, el equipo construyó un marco de aprendizaje automático que evalúa y clasifica los materiales candidatos en función de sus propiedades físicas y químicas.
En primer lugar, está la reactividad hidráulica. La razón por la que el hormigón es resistente es que el cemento, el pegamento que lo mantiene unido, se endurece al exponerse al agua. Por lo tanto, si reemplazamos este pegamento, debemos asegurarnos de que el sustituto reaccione de forma similar —explica Mahjoubi—. En segundo lugar, está la puzolanicidad. Esta se produce cuando un material reacciona con el hidróxido de calcio, un subproducto que se forma al entrar en contacto con el cemento y el agua, para endurecer y fortalecer el hormigón con el tiempo. Necesitamos equilibrar los materiales hidráulicos y puzolánicos en la mezcla para que el hormigón rinda al máximo.
Tras analizar la literatura científica y más de un 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 globalmente y, lo que es más impresionante, muchos podían incorporarse a las mezclas de hormigón simplemente moliéndolos. Esto significa que es posible obtener ahorros en emisiones y costos sin mucho procesamiento adicional.
“Algunos de los materiales más interesantes que podrían reemplazar una parte del cemento son la cerámica”, señala Mahjoubi. “Tejas antiguas, ladrillos, cerámica: todos estos materiales pueden tener una alta reactividad. Esto es algo que hemos observado en el hormigón de la antigua Roma, donde se añadía cerámica para impermeabilizar las estructuras. He tenido muchas conversaciones interesantes sobre esto con el profesor Admir Masic, quien dirige muchos de los estudios sobre hormigón antiguo aquí en el MIT”.
El potencial de materiales cotidianos como la cerámica y materiales industriales como los relaves mineros es un ejemplo de cómo materiales como el hormigón pueden contribuir a una economía circular. Al identificar y reutilizar materiales que, de otro modo, acabarían en vertederos, los investigadores y la industria pueden contribuir a darles una segunda vida como parte de nuestros edificios e infraestructuras.
De cara al futuro, el equipo de investigación planea mejorar el marco para que sea capaz de evaluar aún más materiales, a la vez que valida experimentalmente algunos de los mejores candidatos. «Las herramientas de IA han llevado esta investigación lejos en poco tiempo, y estamos entusiasmados por ver cómo los últimos avances en modelos de lenguaje a gran escala facilitan los próximos pasos», afirma la profesora Elsa Olivetti, autora principal del trabajo y miembro del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. Olivetti es directora de misión del Proyecto Climático del MIT, investigadora principal del CSHub y líder del Grupo Olivetti.
“El hormigón es la base del entorno construido”, afirma 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 forma más sostenible, sin comprometer la resistencia, la seguridad ni la durabilidad.
Además de Mahjoubi, Olivetti y Kirchain, entre los coautores del trabajo se incluyen el investigador postdoctoral del MIT Vineeth Venugopal, Ipek Bensu Manav SM ’21, PhD ’24; y el subdirector del CSHub, Hessam AzariJafari.
Esta investigación se llevó a cabo a través del Centro de Sostenibilidad del Hormigón del MIT, con el apoyo de la Fundación para el Avance del Hormigón. Este trabajo también recibió financiación del Laboratorio de IA Watson del MIT-IBM. MIT News. A. P. L. Traducido al español
