賓夕法尼亞大學開發(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 (UPenn) 的工程師開發(fā)了一項突破性的混凝土3D打印技術，可能會改變我們的建筑方式以及我們應對氣候變化的方式。研究人員將 3D 打印技術與微藻化石相結合，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，顯著吸收更多的二氧化碳。

相關研究以題為“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、材料科學教授楊舒說道：“我對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 打印機中的流動，并提供碳捕獲的表面積——比傳統(tǒng)混合物多吸收高達 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度。楊教授說：“通常情況下，增加表面積或孔隙率會導致強度下降。但在這里，情況恰恰相反；隨著時間的推移，材料的結構變得更堅固了。”

△研究人員：（左）馬蘇德·阿克巴扎德 (Masoud Akbarzadeh) 是威茲曼設計學院的建筑學副教授，也是賓夕法尼亞大學多面體結構實驗室的主任。（右）楊舒是約瑟夫·博爾多尼亞工程與應用科學教授，也是工程與應用科學學院材料科學系的主任。

在論文第一作者余坤浩的帶領下，研究團隊完善了一種可打印混凝土油墨，盡管擠壓過程復雜，但仍能保持強度。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，擠壓后迅速穩(wěn)定，并在固化過程中持續(xù)增強。”

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

碳捕獲混凝土中隱藏的幾何學

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。項目共同資深作者 Akbarzadeh 和他的團隊轉向了三重周期極小曲面 (TPMS)——這是一種數學上復雜但自然存在的結構，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量而備受推崇。

Akbarzadeh 說道：“我們可以減少近 60% 的材料，同時仍然能夠承載重量。”他們的混凝土立方體保留了實體立方體 90% 的強度，同時將表面積與體積的比值提高了 500%。

這些應用不僅限于建筑。楊教授指出，海洋修復是他們主要關注的一個應用領域：“高表面積有助于海洋生物附著和生長，同時這種材料還能被動吸收周圍水中的二氧化碳。”

賓夕法尼亞大學團隊的下一步計劃包括擴大到全尺寸的地板和外墻，并測試替代水泥化學成分。楊說：“當我們不再將混凝土視為靜態(tài)的，而是將其視為動態(tài)的——一種對環(huán)境做出反應的物質時，我們就開辟了一個充滿可能性的全新世界。”