使用較小的水泥時，新的混凝土混合物吸收更多的二氧化碳

從古埃及的泥土，稻草和石膏的混合物到羅馬工程師在邪教結構（例如萬神殿）中使用的複雜水下材料，例如，混凝土長期以來象徵著文明的穩定性和獨創性。

然而，今天的混凝土陷入了矛盾的束縛：允許社會繁榮的材料也負責全球溫室氣體排放的9％。氣候變化本身根深蒂固地植根於化石燃料，代表人類，如果人們試圖穩步建立支持現代生活的結構，即新房屋，高速公路，橋樑等。

現在，賓夕法尼亞大學的設計師，材料科學家和工程師團結起來，共同創造了充滿生物礦物質的混凝土，將3D第一束與微量藻類的化石結構混合在一起。這種混凝土具有驚人的光線，它在結構上是合理的，比使用較少水泥的常規混合物捕獲了142％的Co co，同時對應於抗壓強度的標準目的。

關鍵成分是矽藻土地（DE），這是一種由石化微生物製成的填充物的流行材料。研究人員發現，DE的薄，多孔和海綿狀的質地不僅可以提高混凝土穩定性，因為它被推開了3D打印機的噴嘴，而且還為二氧化碳陷阱提供了豐富的區域。

這些 結論報告了什麼 改進的功能材料為既有橋樑和摩天大樓的建築材料付出道路，並有助於恢復海洋生態系統並從空中捕獲碳。

“通常，如果增加表面積或孔隙率，您將失去力量，”工程學和應用科學教授諾亞（Noah）的作者約瑟夫·波多諾貢（Joseph Bordeonogon），工程和應用科學學院材料科學系主席。 “但是這是相反的；隨著時間的流逝，結構變得更加強大。”

她指出，當材料的幾何形狀更加優化時，該團隊不僅達到了“額外的co”，而且在保持與普通混凝土相當的壓縮強度的同時也這樣做。她說：“這是一切罕見的時刻之一，一切效果更好，看起來更好。”

“但這不僅是關於彌撒的美學或減少，” Waitsman Design School建築副教授Masud Akbarzade的作者補充說。 “這是關於解鎖新的結構邏輯。我們可以將材料減少近60％，但仍承載負載，這表明我們可以用少量的數量來做更多的事情。”

為什麼要混凝土和雙原子地球？

揚（Jan）看到了她在材料科學領域使用經驗的潛力，可以用碳捕獲特性填充混凝土的礫石，水泥和水混合物。

她說：“我剛開始時幾乎不知道，但是我意識到流變學 – 顆粒如何流動和相互作用 – 對於混凝土在混合和印刷過程中的領導方式至關重要。”

為了將這種理解轉化為3D打印的可行表述，它依賴於其前博士後研究員的經驗和文章Kun-hao Yu的第一作者，Kun-Hao Yu的第一作者此前曾在土木建設和增材生產的背景下與混凝土合作。

“混凝土不像普通印刷材料，” Yu。 “他必須在壓力下平穩流動，在擠出後迅速穩定，然後在治療時不斷加強。”他認為，這種困難是使用化學，物理和設計思維組合的理想任務。

同時，Yang是通過矽藻土地修訂的，她以前在南大洋的天然光子晶體和碳吸收研究中遇到過，在那裡，Diatoviks有助於減少溫室氣體，在死亡時將煤炭傳遞到海底。戴安娜（Diana） – 一種古老的微觀藻類 – 關閉複雜的，多孔的二氧化矽殼，這些矽已經在DE中積累了，現在從池的過濾器到土壤添加劑，現在都在所有物品中使用。

楊說：“我對這種天然材料如何吸收Co₂感到很感興趣。” “我開始懷疑：如果我們可以將其直接整合到建築材料中，該怎麼辦？”

該小組發現，DE網絡的內部孔不僅提供了二氧化碳以擴散到結構中，而且還允許在固化過程中碳酸鈣，從而提高了CO₂和機械強度。

Yu帶來了印刷混凝土墨水的開發，為3D打印機的校準變量，例如水比和粘合劑，噴嘴的大小和擠出速度。

他說：“我們進行了很多試驗。” “我們最驚訝的是，儘管孔隙率很高，但通常與壓力相矛盾，但由於它吸收了濃度，因此材料實際上變得更強大。”

碳捕獲的隱藏幾何形狀

DE優化了材料本身，而幾何形狀也起著同樣轉變的作用。 Akbarzade和他的團隊轉向了Tricorrhic週期性最小表面（TPMS） – 數學上複雜，但在骨頭，珊瑚礁和海星中發現的自然結構。這些沒有鋒利邊緣或破裂的“連續”形式因其在最小化質量期間最大化表面積的能力而受到重視。

Akbarzade解釋說：“這些形式很複雜，但自然有效，因為它們在最大程度地減少材料時會最大化表面積和幾何剛度。” “從本質上講，形式和功能是密不可分的，因此我們想將此原理介紹給這些材料的位置。”

使用多方面的圖形靜態，一種使用幾何形狀顯示力分佈的方法，他的團隊開發了一種特定的結構，即使在陡峭的懸垂物中也可以自身自身，同時保持開放且多孔，以最大程度地發出。

Akbarzade解釋說，在圖形靜態中，表單圖中的每一行都是功率流，允許命令以壓縮力和拉伸力通過結構進行配置。然後，他們將其與電纜在張力後將其綁在一起，以提高混凝土的內部穩定性。

結論和未來的工作

建模後，以數字形式切割為印刷層，並優化了用於平滑擠出，而無需轉向，下垂或堵塞打印機噴嘴。在負載下對獲得的印刷成分進行了測試，並經歷了蘇打環境，該蘇打環境坐落在比傳統混凝土塊少68％的結構中，同時將其表面比增加超過500％。此外，TPMS立方保留了固體版本壓縮的90％，並比每單位水泥的Co₂吸收高32％。

展望未來，團隊促進了幾個方面的工作，包括規模尺寸的結構元素，例如地板，立面和軸承面板。

“我們使用更複雜的增強計劃檢查更大的組件，” Akbarzade說，他指的是在緊張和幾何形狀和電源平衡之後的內置電纜，他的實驗室專門說。

另一條路集中在海洋基礎設施上。由於其孔隙率和環境兼容性，DE-TPM的混凝土非常適合人工礁，牡蠣平台或珊瑚平台等結構。楊說：“在恢復的背景下，我們對此感到特別興奮。” “高表面積有助於海洋生物附著和生長，而材料從周圍的水中被動吸收co。”

楊團隊還探討了DE如何與標準行業庫外的其他化學研究（例如鎂或基於鹼的系統）一起工作。她說：“我們想進一步提出這個想法。” “如果我們可以完全去除水泥？還是將廢物流用作反應性組件怎麼辦？”

她補充說：“目前，當我們停止將混凝土視為靜態的時刻，並開始將其視為動態 – 對環境的反應 – 我們打開了一個全新的機遇世界。”