混凝土，这一自古代文明起便承载着人类智慧与创造力的建筑材料，如今正站在绿色转型的十字路口。从古埃及金字塔的泥土混合物到罗马万神殿的复杂水下材料，混凝土见证了文明的进步，却也因高达9%的全球温室气体排放而面临严峻挑战。在寻求可持续建造方式的当下，宾夕法尼亚大学的一支跨学科团队给出了创新答案。

该团队由设计师、材料科学家和工程师组成，他们巧妙地将3D打印技术与微藻化石结构——硅藻土(DE)相结合，成功研发出一种生物矿物注入混凝土。这种新型混凝土不仅重量轻、结构坚固，更在二氧化碳吸收方面表现出色，较传统混凝土高出142%，同时水泥用量大幅减少，仍能满足建筑抗压强度标准。

硅藻土，这一由微生物化石制成的材料，其细腻多孔的海绵状质地在研究中发挥了关键作用。它不仅提升了混凝土在3D打印过程中的稳定性，还为二氧化碳捕获提供了广阔空间。研究团队发现，硅藻土的内部孔隙网络促进了二氧化碳的扩散和碳酸钙的形成，从而增强了混凝土的机械性能和碳吸收能力。

这一创新成果发表在《先进功能材料》杂志上，为开发既能支撑大型建筑又能助力海洋生态恢复和碳捕获的建筑材料开辟了新路径。论文共同资深作者杨舒教授指出，优化材料几何形状后，团队不仅实现了二氧化碳转化率的显著提升，还保持了与传统混凝土相当的抗压强度，实现了性能与美观的双重提升。

韦茨曼设计学院建筑学副教授马苏德·阿克巴扎德强调，这一创新不仅关乎材料性能的提升，更在于开启了一种全新的结构逻辑。通过减少近60%的材料用量，同时保持承载能力，新型混凝土展示了高效利用资源的可能性。

研究团队还深入探索了硅藻土的碳捕获潜力，并借鉴了离散微分几何和三重周期极小曲面(TPMS)等先进理论，设计出一种即使在陡峭悬垂结构下也能保持稳定的混凝土结构。这种结构不仅节省了68%的材料，还大幅提高了表面积与体积比，增强了二氧化碳吸收能力，同时保留了实体立方体90%的抗压强度。

展望未来，该团队正积极推进全尺寸结构元素的研发，如地板、外墙和承重板等，并探索其在海洋基础设施领域的应用潜力。由于DE-TPMS混凝土的高孔隙率和生态兼容性，它有望成为人工鱼礁、牡蛎养殖场和珊瑚平台等结构的理想选择，助力海洋生态修复和碳捕获。

此外，杨教授的团队还在探索硅藻土与其他粘合剂化学物质的协同作用，以期进一步减少水泥使用，甚至完全替代水泥。她表示：“当我们不再将混凝土视为静态材料，而是视为能够动态响应环境的材料时，我们就打开了一个全新的可能性世界。”这一创新不仅为混凝土行业带来了绿色转型的曙光，也为全球可持续发展目标贡献了重要力量。

更多信息： Kun‐Hao Yu 等，《3D 混凝土打印三重周期最小表面以增强碳捕获和储存》，《先进功能材料》 (2025)。