Науковці з Університету Пенсильванії, поєднавши складну геометрію, що зустрічається в природі та вдосконалена аерокосмічними та біомедичними розробками, зуміли надрукувати її на 3D-принтері у вигляді бетону. Це не лише підвищує міцність будівельного матеріалу, а й забезпечує здатність до вловлювання вуглецю, створюючи масштабоване рішення, яке принесе користь як людям, так і планеті.
Співпраця команди матеріалознавців, дизайнерів та інженерів з Університету Пенсильванії (UPenn) призвела до створення унікального бетону з біомінеральними домішками. Цей матеріал, натхненний скам’янілою архітектурою мікроскопічних водоростей, є легкою, структурно міцною альтернативою, що здатна поглинати до 142% більше вуглекислого газу, ніж традиційні матеріали. Він також використовує менше цементу, не компрометуючи показники міцності на стиск.
Хоча екологічно чисті та міцні альтернативи стандартному бетону не є новиною, цей матеріал є особливо перспективним. Його “секретний рецепт” базується на діатомовій землі (ДЗ) – природній порошкоподібній речовині, що складається зі скам’янілих залишків діатомей, крихітних давніх водоростей з твердими оболонками. В інженерії матеріалів діатомова земля цінується за її легкість, велику площу поверхні та сприятливу пористість, що робить її ідеальною для поглинання CO2.
“Зазвичай, якщо ви збільшуєте площу поверхні або пористість, ви втрачаєте міцність”, – пояснює Шу Ян, співпровідна авторка дослідження та голова Департаменту матеріалознавства в Інженерній школі Університету Пенсильванії. “Але тут було навпаки; структура ставала міцнішою з часом”.
Бетон та його вплив на планету
Попри те, що бетон є другим за обсягом матеріалом, який використовує людство (після води), його виробництво відповідає за колосальні 8% світових викидів парникових газів. Існуючі методи “озеленення” цього процесу є дорогими, складними та мають обмежені можливості у вловлюванні CO2.
Під час тестування команда UPenn виявила, що їхня експериментальна розробка досягла “додаткового 30% вищого перетворення CO2”, коли геометрія була ще більше вдосконалена, при цьому зберігаючи міцність, подібну до традиційного бетону. “Це був один з тих рідкісних моментів, коли все просто працювало краще і виглядало красивіше”, – зазначила Шу Ян.
Інженерна інновація: від пасти до структури
Спершу дослідники розробили “цементний розчин”, який був достатньо рідким для роботи з механізмами 3D-друку. Це включало суміш портландцементу, дрібного піску та мікрокремнезему. Також був доданий суперпластифікатор для зменшення вмісту води, забезпечуючи при цьому сумісність унікальної суміші для друку.
“Бетон не схожий на звичайні друковані матеріали”, – зауважив Кун-Хао Ю, колишній постдокторант UPenn. “Він повинен плавно текти під тиском, швидко стабілізуватися після екструзії, а потім безперервно міцніти під час затвердіння”.
Потім був використаний роботизований 3D-друк для створення ґратчастих структур, відомих як тричі періодичні мінімальні поверхні (TPMS). Ці форми, натхненні природними утвореннями кісток та оболонок, можуть одночасно забезпечити простір для вловлювання вуглецю та структурну цілісність, притаманну традиційному бетону. Надрукрований матеріал потім залишали для затвердіння. Нарешті, наносили шар гідроксиду кальцію для посилення його властивостей уловлювання вуглецю.
Кінцевим результатом став масштабований бетон, придатний для 3D-друку, який не лише виконує свої структурні функції, а й витягує вуглець з атмосфери без складних процесів чи високих витрат.
“Але справа була не лише в естетиці чи зменшенні маси”, – прокоментував Масуд Акбарзаде, співпровідний автор та доцент архітектури у Школі дизайну Вейцмана. “Йшлося про розкриття нової структурної логіки. Ми змогли зменшити кількість матеріалу майже на 60%, і при цьому витримувати навантаження, демонструючи, що можна робити набагато більше з набагато меншим”.
Діатомеї: невидимі герої планети
Діатомеї – це дивовижні одноклітинні водорості, здатні створювати складні, красиві оболонки з кремнезему (того ж матеріалу, що й скло), які називаються фрустулами. Кожна з них наноструктурована, має симетрію та мікроскопічні пори. І кожна діатомея збирає ці неймовірні, складні структури атом за атомом, використовуючи білки та ферменти для вилучення розчиненого кремнезему з води, в якій вони перебувають.
Що більше, вважається, що існує понад 100 000 видів діатомей, і разом вони виробляють 20-30% кисню, який підтримує життя на планеті. Це більше, ніж виробляють усі тропічні ліси на Землі.
Черпаючи натхнення з діатомей, вчені UPenn, можливо, розробили щось, що може принести планеті майже стільки ж користі, скільки ці крихітні організми. Команда виявила, що складна внутрішня мережа пор діатомової землі забезпечує надійний шлях для дифузії вуглекислого газу в структуру, а також те, що процес затвердіння дозволяє утворюватися карбонату кальцію, що підвищує міцність та поглинання CO2.
“Ми провели багато випробувань”, – сказала Ян. “Що нас найбільше здивувало, так це те, що, попри високу пористість, яка зазвичай перешкоджає навантаженню, матеріал фактично ставав міцнішим, поглинаючи CO2”.
Результати випробувань та перспективи
Після того, як дослідники вдосконалили свій дизайн, його було нарізано на шари для друку. Потім компоненти були протестовані у порівнянні з традиційним бетоном і виявилося, що вони використовують на 68% менше матеріалу, одночасно збільшуючи співвідношення площі поверхні до об’єму більш ніж на 500%. Плита з TPMS мала 90% міцності на стиск традиційного бетону, але на 32% вище поглинання CO2 на одиницю.
Таким чином, куб з TPMS, порівняно з суцільним кубом традиційного бетону, зміг поглинути на 146% більше CO2, або на 32% більше CO2 на одиницю цементу (порівняння грам до грама).
Тепер науковці прагнуть масштабувати свій новий матеріал для створення підлог, фасадів та несучих панелей. Вони також досліджують використання діатомової землі з іншими сполуками, щоб дізнатися, чи можуть діатомеї запропонувати ще більше користі.
“Ми хочемо розвинути цю ідею далі”, – сказала Ян. “Що, якщо ми зможемо повністю відмовитися від цементу? Або використовувати відходи як реактивний компонент?”
“У той момент, коли ми перестали думати про бетон як про статичний матеріал і почали бачити його як динамічний – як щось, що реагує на навколишнє середовище, – ми відкрили цілий новий світ можливостей”, – додала вона.
Дослідження було опубліковано у фаховому журналі Advanced Functional Materials.
