宾夕法尼亚大学开发出更清洁、更环保、可吸收二氧化碳的藻基3D打印混凝土

2025年7月12日，南极熊获悉，来自宾夕法尼亚大学 (UPenn) 的工程师开发了一项突破性的混凝土3D打印技术，可能会改变我们的建筑方式以及我们应对气候变化的方式。研究人员将 3D 打印技术与微藻化石相结合，创造出一种新型混凝土，这种混凝土可以在减少水泥用量的同时，显著吸收更多的二氧化碳。

相关研究以题为“3D Concrete Printing of TriplyPeriodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage”的论文发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202509259

这项创新的核心是硅藻土 (DE)，这是一种由硅藻化石制成的多孔海绵状材料。共同资深作者、材料科学教授杨舒说道：“我对这种天然材料如何吸收二氧化碳感到好奇。将硅藻土掺入混凝土混合物中，可以改善混凝土在 3D 打印机中的流动，并提供碳捕获的表面积——比传统混合物多吸收高达 142% 的二氧化碳。”

令人惊讶的是，孔隙率的增加并没有削弱材料的强度。杨教授说：“通常情况下，增加表面积或孔隙率会导致强度下降。但在这里，情况恰恰相反；随着时间的推移，材料的结构变得更坚固了。”

△研究人员：（左）马苏德·阿克巴扎德 (Masoud Akbarzadeh) 是威兹曼设计学院的建筑学副教授，也是宾夕法尼亚大学多面体结构实验室的主任。（右）杨舒是约瑟夫·博尔多尼亚工程与应用科学教授，也是工程与应用科学学院材料科学系的主任。

在论文第一作者余坤浩的带领下，研究团队完善了一种可打印混凝土油墨，尽管挤压过程复杂，但仍能保持强度。余坤浩解释说：“混凝土不同于传统的打印材料。它必须在压力下顺畅流动，挤压后迅速稳定，并在固化过程中持续增强。”

△余坤浩，曾任宾夕法尼亚大学工程学院舒阳组博士后研究员，现为雪城大学土木与环境工程助理教授

碳捕获混凝土中隐藏的几何学

虽然离散微分几何优化了材料本身，但几何形状也同样发挥了变革性的作用。项目共同资深作者 Akbarzadeh 和他的团队转向了三重周期极小曲面 (TPMS)——这是一种数学上复杂但自然存在的结构，存在于骨骼、珊瑚礁和海星中。这些“连续”的形状没有尖锐的边缘或断裂，因其能够最大限度地增加表面积并最大限度地减轻质量而备受推崇。

Akbarzadeh 说道：“我们可以减少近 60% 的材料，同时仍然能够承载重量。”他们的混凝土立方体保留了实体立方体 90% 的强度，同时将表面积与体积的比值提高了 500%。

这些应用不仅限于建筑。杨教授指出，海洋修复是他们主要关注的一个应用领域：“高表面积有助于海洋生物附着和生长，同时这种材料还能被动吸收周围水中的二氧化碳。”

宾夕法尼亚大学团队的下一步计划包括扩大到全尺寸的地板和外墙，并测试替代水泥化学成分。杨说：“当我们不再将混凝土视为静态的，而是将其视为动态的——一种对环境做出反应的物质时，我们就开辟了一个充满可能性的全新世界。”