賓夕法尼亞大學(xué)開發(fā)出更清潔、更環(huán)保、可吸收二氧化碳的藻基3D打印混凝土

2025年7月12日，南極熊獲悉，來自賓夕法尼亞大學(xué) (UPenn) 的工程師開發(fā)了一項(xiàng)突破性的混凝土3D打印技術(shù)，可能會(huì)改變我們的建筑方式以及我們應(yīng)對(duì)氣候變化的方式。研究人員將 3D 打印技術(shù)與微藻化石相結(jié)合，創(chuàng)造出一種新型混凝土，這種混凝土可以在減少水泥用量的同時(shí)，顯著吸收更多的二氧化碳。

相關(guān)研究以題為“3D Concrete Printing of TriplyPeriodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509259

這項(xiàng)創(chuàng)新的核心是硅藻土 (DE)，這是一種由硅藻化石制成的多孔海綿狀材料。共同資深作者、材料科學(xué)教授楊舒說道：“我對(duì)這種天然材料如何吸收二氧化碳感到好奇。將硅藻土摻入混凝土混合物中，可以改善混凝土在 3D 打印機(jī)中的流動(dòng)，并提供碳捕獲的表面積——比傳統(tǒng)混合物多吸收高達(dá) 142% 的二氧化碳。”

令人驚訝的是，孔隙率的增加并沒有削弱材料的強(qiáng)度。楊教授說：“通常情況下，增加表面積或孔隙率會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降。但在這里，情況恰恰相反；隨著時(shí)間的推移，材料的結(jié)構(gòu)變得更堅(jiān)固了。”

△研究人員：（左）馬蘇德·阿克巴扎德 (Masoud Akbarzadeh) 是威茲曼設(shè)計(jì)學(xué)院的建筑學(xué)副教授，也是賓夕法尼亞大學(xué)多面體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的主任。（右）楊舒是約瑟夫·博爾多尼亞工程與應(yīng)用科學(xué)教授，也是工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)系的主任。

在論文第一作者余坤浩的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)完善了一種可打印混凝土油墨，盡管擠壓過程復(fù)雜，但仍能保持強(qiáng)度。余坤浩解釋說：“混凝土不同于傳統(tǒng)的打印材料。它必須在壓力下順暢流動(dòng)，擠壓后迅速穩(wěn)定，并在固化過程中持續(xù)增強(qiáng)。”

△余坤浩，曾任賓夕法尼亞大學(xué)工程學(xué)院舒陽組博士后研究員，現(xiàn)為雪城大學(xué)土木與環(huán)境工程助理教授

碳捕獲混凝土中隱藏的幾何學(xué)

雖然離散微分幾何優(yōu)化了材料本身，但幾何形狀也同樣發(fā)揮了變革性的作用。項(xiàng)目共同資深作者 Akbarzadeh 和他的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了三重周期極小曲面 (TPMS)——這是一種數(shù)學(xué)上復(fù)雜但自然存在的結(jié)構(gòu)，存在于骨骼、珊瑚礁和海星中。這些“連續(xù)”的形狀沒有尖銳的邊緣或斷裂，因其能夠最大限度地增加表面積并最大限度地減輕質(zhì)量而備受推崇。

Akbarzadeh 說道：“我們可以減少近 60% 的材料，同時(shí)仍然能夠承載重量�！彼麄兊幕炷�土立方體保留了實(shí)體立方體 90% 的強(qiáng)度，同時(shí)將表面積與體積的比值提高了 500%。

這些應(yīng)用不僅限于建筑。楊教授指出，海洋修復(fù)是他們主要關(guān)注的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域：“高表面積有助于海洋生物附著和生長(zhǎng)，同時(shí)這種材料還能被動(dòng)吸收周圍水中的二氧化碳�！�

賓夕法尼亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)的下一步計(jì)劃包括擴(kuò)大到全尺寸的地板和外墻，并測(cè)試替代水泥化學(xué)成分。楊說：“當(dāng)我們不再將混凝土視為靜態(tài)的，而是將其視為動(dòng)態(tài)的——一種對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)的物質(zhì)時(shí)，我們就開辟了一個(gè)充滿可能性的全新世界�！�