混凝土在現代世界中扮演了重要角色，但同時也推動了氣候危機的加劇。如今，科學家們正努力利用這種材料來減輕環境損害。
混凝土被視為文明的基石，卻負責全球近 9% 的溫室氣體排放。其主要成分水泥在生產過程中釋放大量二氧化碳，成為地球上最具污染性的材料之一。
然而，賓夕法尼亞大學的一組工程師、設計師和材料科學家或許找到了一個更清潔的未來。
他們通過將 3D 打印技術與化石化藻類相結合，並重新思考混凝土的內部幾何結構，創造出一種輕質、低水泥的混合物，不僅保持強度，還能吸收比傳統配方多 142% 的二氧化碳。
這項技術的關鍵在於矽藻土，這是一種由微小藻類的古老矽殼製成的粉末。結合受到珊瑚和海星啟發的數學設計，這種生物礦混凝土不僅能捕捉更多二氧化碳，還能使用更少的材料，未來甚至可能成為恢復海洋生態系統的工具。
研究的共同作者楊舒（Shu Yang）曾經研究矽藻在海洋碳匯中的作用，並看到了將其自然二氧化碳捕捉能力引入建築材料的潛力。他表示：「通常情況下，增加表面積或孔隙率會導致強度下降，但在這裡，結構隨著時間變得更強。」
這項解決方案基於矽藻土，提供了增強的二氧化碳捕捉能力和結構穩定性，同時使用相對較少的材料。楊舒解釋，團隊通過微調材料的內部幾何結構，實現了 30% 的二氧化碳吸收增幅，而不影響結構完整性。
這一突破不僅依賴於材料本身，還取決於其幾何形狀。共同作者馬蘇德·阿克巴扎德（Masoud Akbarzadeh）及其團隊受到三重周期最小表面（TPMS）的啟發，這是一種在珊瑚礁、骨骼和海星中發現的自然高效結構。
這些光滑的連續形狀因其能在使用最少材料的情況下最大化表面積和剛度而受到青睞，非常適合用於結構強度和二氧化碳吸收。研究人員使用一種稱為多面體圖形靜力學的技術，繪製了這些幾何形狀中的力量傳遞，並設計出在壓縮下仍能保持穩定的形狀，即使有陡峭的懸垂和大空隙。
為了增強內部強度，研究人員加入了後張鋼索，使混凝土在保持輕質的同時不犧牲耐久性。結構建模完成後，數字切片成可打印層，並使用專門開發的混凝土墨水輸入 3D 打印機。
儘管材料具有高孔隙率，打印出來的材料在固化過程中隨著吸收二氧化碳而變得更強。實驗室測試顯示，其強度保持在實心混凝土塊的 90%，同時使用的材料減少了 68%，每單位水泥的二氧化碳吸收量提高了 32%。
目前，團隊正在擴大技術應用於更大規模的建築組件，如外立面、面板甚至海洋基礎設施。阿克巴扎德表示：「我們正在測試更大組件，並採用更複雜的增強方案。這些組件不僅要強大和高效，還要能在建築規模上實現。」
矽藻土（DE）是這項技術的關鍵成分，這是一種由化石微生物製成的常見填充材料。由於其孔隙率和與水生生物的相容性，這種混凝土可用於珊瑚修復項目或人工礁，提供結構支持和環境效益。
楊舒的團隊還在研究矽藻土如何與替代粘合劑化學反應相互作用，包括基於鎂和堿活化系統的材料，以期超越傳統水泥。「當我們不再將混凝土視為靜態，而是將其視為與環境互動的動態材料時，我們開啟了全新的可能性。」楊舒表示。
這些研究成果已發表在《先進功能材料》期刊上。
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