Atomic-scale control of stability and mechanical performance in hydrated products during polycondensation process of low-carbon geopolymers

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Materials scientists can use the atomic-scale mechanisms to guide rational design of low-carbon geopolymer formulations.

🏢実務担当者:Construction material manufacturers may leverage these findings to optimize production processes for higher performance low-carbon binders.

• リン酸地盤重合体（PAG）のナノ構造進化に関する反応性分子動力学シミュレーション。 • アルミニウムは四面体配位から安定な八面体配位へ遷移する。 • Q⁴重合はP–O–Al/Si結合を介してネットワーク架橋度を増加させる。 • Q⁴(3AlVI–O–P)は最低エネルギーの安定相として同定された。 • 力学性能はAlVIおよびQ⁴含有量と強く相関する。 • PAGはNaOH活性化系と比較して56%高い剛性を示す。 本研究は、リン酸活性化地盤重合体（PAG）の安定性と力学性能を支配する原子スケールのメカニズムを調査し、そのナノ構造と構造–物性関係に関する既存の不確実性を解消することを目的とする。本研究では、反応性分子動力学シミュレーションを用いてリン酸地盤重合体ナノ構造の新規な原子論的調査を実施し、重縮合プロセス中のこれらの低炭素バインダーにおける化学環境、構造安定性、巨視的特性を関連付ける。構造検証は、シミュレートされたX線回折および振動状態密度を実験的なXRDおよびFTIRデータと比較することにより実施された。結果は、非晶質アルミノ-リン-ケイ酸塩ネットワークの形成を確認し、ケイ素はすべての環境で四面体配位を維持する一方、アルミニウムはリン酸基によって安定化された四面体配位から主として八面体配位への漸進的遷移を受けることを示す。P–O結合の進化は、末端P=O結合が架橋P–O–AlおよびP–O–Si結合へと徐々に変換され、ネットワーク架橋度を高めることを示す。Q⁴(3AlVI–O–P)相は最も安定な構造として同定され、優れた力学特性を示す。最後に、PAGはアルミニウム6配位および高Q⁴重合環境において、従来のアルカリ活性化地盤重合体と比較して56%高い剛性を示す。これらの知見は、アルミニウム配位とケイ酸塩–リン酸塩重合の制御が性能最適化の鍵であり、強化された力学強度と耐久性を備えた次世代低炭素地盤重合体材料の合理的設計のための基礎的基盤を提供することを実証する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

• Reactive molecular dynamics simulation on nanostructure evolution of Phosphoric Acid Geopolymers (PAG). • Aluminum transitions from tetrahedral to stable octahedral coordination. • Q⁴ polymerization increases network cross-linking via P–O–Al/Si bonds. • Q⁴(3AlVI–O–P) identified as the lowest-energy stable phase. • Mechanical performance strongly correlates with AlVI and Q⁴ content. • PAG exhibits 56% higher stiffness than NaOH-activated systems. This study investigates the atomic-scale mechanisms governing the stability and mechanical performance of phosphoric-acid-activated geopolymers (PAG), aiming to resolve existing uncertainties regarding their nanostructure and structure–property relationships. In this work, a novel atomistic investigation of phosphate acid geopolymer nanostructure is carried out using reactive molecular dynamics simulations to link chemical environment, structural stability and macroscopic properties in these low-carbon binders during polycondensation process. Structural validation was performed via simulated X-ray diffraction and vibrational density of states, compared with experimental XRD and FTIR data. Results confirm the formation of an amorphous alumino-phospho-silicate network, where silicon remains tetrahedrally coordinated across all environments, while aluminum undergoes a progressive transition from tetrahedral to predominantly octahedral coordination stabilized by phosphate groups. The evolution of P–O bonding indicates a gradual conversion of terminal P=O bonds into bridging P–O–Al and P–O–Si linkages, enhancing network cross-linking. The Q⁴(3Al VI –O–P) phase is identified as the most stable configuration, exhibiting superior mechanical properties. Finally, PAG shows a 56% higher stiffness for aluminum 6-coordinated and highly Q⁴ polymerized environments compared to conventional alkali-activated geopolymers. These findings demonstrate that controlling aluminum coordination and silicate–phosphate polymerization is key to optimizing performance, providing a fundamental basis for the rational design of next-generation low-carbon geopolymer materials with enhanced mechanical strength and durability.

• openalex https://doi.org/10.1016/j.rineng.2026.110708first seen 2026-05-17 06:07:24 · last seen 2026-05-26 04:44:20