从古埃及金字塔到罗马标志性建筑，混凝土一直象征着文明的韧性与独创性。然而如今，这种支撑社会繁荣的材料却造成了高达9%的全球温室气体排放，给人类可持续建造带来挑战。近日，宾夕法尼亚大学的设计师、材料科学家和工程师携手，将3D打印技术与微藻化石结构结合，研制出一种新型生物矿物注入混凝土。

这种混凝土重量轻、结构坚固，与传统混凝土相比，二氧化碳吸收量可高达142%，水泥用量更少，且能满足标准抗压强度目标。其关键成分是硅藻土(DE)，这种由微生物化石制成的常用填充材料，细腻、多孔、海绵状的质地既提高了混凝土在3D打印机喷嘴中的稳定性，又提供了丰富的二氧化碳捕获空间。

该研究成果发表在《先进功能材料》杂志上，为研发既能支撑建筑又能助力恢复海洋生态系统、捕获空气中碳的建筑材料奠定了基础。论文共同资深作者、工程与应用科学学院材料科学系主任杨舒指出，通常情况下增加表面积或孔隙率会使强度下降，但这种新型混凝土却相反，结构随时间推移变得更坚固。材料几何形状优化后，团队实现了“额外30%的二氧化碳转化率提升”，且保持了与普通混凝土相当的抗压强度。

韦茨曼设计学院建筑学副教授、共同资深作者马苏德·阿克巴扎德表示，这开启了新的结构逻辑，减少近60%材料的同时仍能承载重量。杨舒起初对混凝土了解不多，但知道流变学对混凝土在混合和印刷过程中的行为至关重要。她借鉴前博士后研究员、论文第一作者Kun-Hao Yu的经验，将理解转化为可行的3D打印方案。Yu教授称混凝土是理想挑战，需结合化学、物理和设计思维研究。

杨舒此前在南大洋研究天然光子晶体和碳汇时接触过硅藻土，硅藻死亡后会将二氧化碳运送到海底，帮助减少温室气体排放。她好奇这种天然材料吸收二氧化碳的特性，思考将其融入建筑材料的可能性。研究小组发现，DE的内部孔隙网络为二氧化碳扩散提供途径，使碳酸钙在固化过程中形成，提高了二氧化碳吸收率和机械强度。

Yu领导开发了可打印混凝土墨水，校准了3D打印机的变量。尽管高孔隙率通常会阻碍应力，但这种材料吸收二氧化碳后反而更坚固。Akbarzadeh和他的团队采用三重周期极小曲面(TPMS)，这种结构能最大限度增加表面积和几何刚度，同时减少材料用量。他们使用多面体图形静力学设计混凝土结构，结合后张拉索增强内部稳定性。建模完成后，模型被数字化切片优化，打印的组件经测试，比传统混凝土块节省68%材料，表面积与体积比值提高500%以上，TPMS立方体保留实体立方体90%抗压强度，每单位水泥二氧化碳吸收量提高32%。

展望未来，团队正从多方面推进工作，包括扩大到全尺寸结构元素，如地板、外墙和承重板。阿克巴扎德称正在测试采用更复杂加固方案的大型组件，希望它们坚固高效且可建造成建筑规模。该混凝土还可能适用于海洋基础设施，如人工鱼礁、牡蛎养殖场或珊瑚平台。杨舒的团队还在探索DE与其他粘合剂化学物质的协同作用，思考完全去除水泥或使用废液作为反应成分的可能性。她表示，将混凝土视为动态的(对环境做出反应的)东西，将开辟全新可能性世界。

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)