南加州大学研发可持续混凝土AI模型，助力抗击气候变化

未来的建筑将如何塑造我们的世界？想象一下，不仅能够经受时间洗礼的建筑物，还能够主动对抗气候变化。这一理念不再只是梦想，南加州大学（USC）的研究人员正通过一项创新，朝着这个目标迈进。近日，USC的科学家们开发了一个名为Allegro-FM的先进AI模型，使得新一代混凝土的设计成为可能。这种新型混凝土不仅能够捕获二氧化碳，更有望以其惊人的耐用性，持续数个世纪，其坚韧程度甚至可以跟古罗马建筑相媲美。

南加州大学维特比工程学院的科学家们在研发这一革命性模型过程中，展现了前所未有的计算能力。Allegro-FM能够同时模拟超过40亿个原子，揭示出材料科学的新机遇。由于世界正在经历气候变化的严峻挑战——从频繁发生的极端天气到干旱和冰川融化，科学家们需要新的解决方案。在这种背景下，南加州大学的研究者们正竭尽所能，寻找有效的应对方式。

洛杉矶在一月份遭遇了毁灭性的野火，成为了气候变化愈加严峻的明证。目睹这一切后，维特比学院的Aiichiro Nakano教授（他的研究领域包含计算机科学、物理学、天文学及计算生物学）与长期合作伙伴、同样任职于维特比学院的化学工程与材料科学专家Ken-Ichi Nomura教授展开了深入讨论。他们最终的合作成果是Allegro-FM——一个高度先进的AI驱动模拟。通过理论研究，该模型提出了一个引人注目的可能性：在混凝土生产过程中释放的二氧化碳可以被重新嵌入到同一材料中。

“通过将二氧化碳注入混凝土，即可形成一种碳中和的混凝土，”Nakano教授指出。随着对环境问题的日益重视，这种技术的提出为未来建筑材料的革新提供了新的方向。与Nakano教授和Nomura教授一同参与此研究的还有维特比学院的Priya Vashishta教授，以及物理学与天文学领域的Rajiv Kalia教授，他们一直致力于开发“二氧化碳封存”技术，重新捕获和储存二氧化碳。

显而易见，Allegro-FM的一个重大突破在于其可扩展性。传统的分子模拟方法往往受限于数千或数百万原子的系统，但Allegro-FM在阿贡国家实验室的Aurora超级计算机上成功模拟了超过40亿个原子，达成97.5%的效率。这不仅意味着计算能力的巨大提升（比过去方法提高约1000倍），还为混凝土材料的研究开辟了全新的视野。

混凝土作为一种防火材料，非常适合用于抵御极端条件。而目前全球二氧化碳的主要排放源之一就是混凝土生产，特别是在洛杉矶这样的大城市，如何降低这一负面影响愈加迫在眉睫。在Allegro-FM的模拟研究中，混凝土已展现出潜在的碳中和特性，这为其在环保领域创造了更多可能性。

更重要的是，传统混凝土的使用寿命通常为100年，而古罗马的混凝土则能够持续超过2000年。通过引入二氧化碳，形成碳酸盐层的过程将使混凝土更加坚固，这不仅延长了其使用寿命，也推动了可持续建筑材料的发展。Nakano教授表示：“将二氧化碳注入构成材料中，可能让我们获得一种全新的，耐用且碳中和的混凝土。”

在开发Allegro-FM的过程中，研究团队深知人工智能如何加速复杂工作的进行。以前，模拟原子的行为需要通过一系列复杂的数学公式来实现，而借助机器学习和这一过程得以大幅简化。“现在，我们不再需要从头推导所有量子力学的难题，而是可以通过生成训练集，让机器学习模型实现所需的计算。”Nomura教授解释说，这一方法的普及不仅提高了研究效率，也显著节省了资源。

Allegro-FM能够精准预测原子间的相互作用——即原子如何响应和交互。传统的计算方法需要大量的单一模拟来完成，但该模型创新性地将数种元素的相互作用函数集成，使其能够一次性模拟几乎涵盖整个元素周期表。Nomura教授指出：“这是一个前所未有的突破，使得我们可以在同一个模型中处理不同类型的材料。”

在技术实施上，Allegro-FM同样更加高效。AI模型承担了众多过去需要超级计算机才能完成的精细计算，进而释放出这些大型计算机的资源，用于更高层次的研究。“AI可以用更少的计算资源达到量子力学的精度，” Nakano教授强调。

未来，Nakano和Nomura教授对研究的继续充满期待。他们计划在混凝土的研究上构建更复杂的几何结构和表面，以进一步提升其性能与适应性。近期，这项研究成果已发表在《物理化学快报》上，并被选为封面文章，这标志着这一创新的重大价值。

南加州大学开发的这项AI模型Allegro-FM，不仅为建筑行业带来了新的希望，还为人类应对气候变化提供了有效的技术支持。在未来的建筑世界中，我们将看到更多更环保、更持久的材料和结构，造福于全人类。