仿生低碳新型材料，讓建筑更加綠色環(huán)保！

出品：科普中國(guó)

作者：石霧遙（生物學(xué)博士）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步以及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，各類(lèi)建筑拔地而起、層出不窮。在21世紀(jì)的今天，環(huán)境污染問(wèn)題備受關(guān)注。建筑材料對(duì)環(huán)境造成的污染是不容小覷的。

目前，建材中常用的水泥、鋼筋等是靠燃燒燃?xì)?、煤等進(jìn)行生產(chǎn)的，因此會(huì)釋放大量的一氧化碳、二氧化碳等對(duì)環(huán)境有毒有害的氣體，影響人類(lèi)的健康。由此可見(jiàn)，發(fā)展新型綠色環(huán)保建筑材料來(lái)替代傳統(tǒng)的材料是十分重要的。

水泥鋼筋

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

沙塔蠕蟲(chóng)：環(huán)保建材中的自然力量

2023年9月，我國(guó)科學(xué)家在《物質(zhì)》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于仿生低碳新型建筑材料的文章，這種材料的問(wèn)世有望為人類(lèi)帶來(lái)綠色環(huán)保的建筑材料，成為建筑節(jié)能減排新利器！

研究成果發(fā)表于《物質(zhì)》雜志

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

為了使建筑材料更加牢固穩(wěn)定，人們通常使用粘結(jié)劑將不同的原料粘連在一起形成塊狀材料。為了更加綠色環(huán)保，目前使用的天然的粘結(jié)劑包括細(xì)菌礦化粘結(jié)劑、酶礦化粘結(jié)劑與生物高分子粘結(jié)劑等。這些粘結(jié)劑雖然能實(shí)現(xiàn)比較好的粘連效果，但是制作而成的塊狀材料的強(qiáng)度比較低，在實(shí)際使用時(shí)受限。

沙塔蠕蟲(chóng)被稱(chēng)為生物界的“超級(jí)膠水”，它們可以分泌帶有正負(fù)電荷的蛋白質(zhì)粘液，通過(guò)電荷的相互作用實(shí)現(xiàn)沙粒的粘連，最終構(gòu)筑成堅(jiān)固的巢穴。

受此啟發(fā)，科學(xué)家們利用帶有正電的季銨化殼聚糖和帶負(fù)電的海藻酸鈉制作成天然粘結(jié)劑，利用相異電荷之間及氫鍵等的相互作用完成沙粒等各類(lèi)固體顆粒的粘結(jié)，最終形成仿生低碳建筑材料的聚集體。

此外，科學(xué)家們將這些聚集體進(jìn)一步在模具中進(jìn)行固化，2天的時(shí)間就能得到可供使用的天然仿生低碳建筑材料。此種材料的制備效率要比在建材中使用的水泥提高10倍以上，而在制造過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境污染的廢氣。

仿生低碳材料的設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

科學(xué)家進(jìn)一步對(duì)仿生低碳建筑材料的機(jī)械性能、抗壓縮力、抗彎曲力進(jìn)行評(píng)估。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此種材料在抗壓性能上達(dá)到了目前規(guī)定的建筑材料要求標(biāo)準(zhǔn)，抗壓強(qiáng)度高達(dá)17MPa，具備較好的機(jī)械穩(wěn)定性。

此外，此種材料的抗彎曲力也超過(guò)了目前市面上常用的無(wú)筋混凝土。在經(jīng)過(guò)超過(guò)100次反復(fù)的拆卸后，該材料仍保持了較好的結(jié)構(gòu)完整性。

更驚喜的是，由于此材料作為粘結(jié)劑時(shí)主要靠電荷相互作用，而電荷相互作用是可逆的。因此，此種材料可以通過(guò)水合作用進(jìn)行拆解，在室溫下反應(yīng)2小時(shí)，就能實(shí)現(xiàn)材料的回收。

可見(jiàn)，此種材料在節(jié)能環(huán)保方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并在綠色低碳建筑領(lǐng)域蘊(yùn)含著巨大的潛力。

仿生低碳建筑材料的性能評(píng)價(jià)

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]）

還有哪些綠色環(huán)保的建筑材料?

除了上面介紹的仿生低碳建筑材料以外，科學(xué)家們還研制出了許多性能優(yōu)且極具環(huán)保性的建筑材料。這些材料有的可以自主控制溫度的變化，有的甚至還能發(fā)光！是不是已經(jīng)迫不及待想了解了？那么我們就一起往下看吧！

科學(xué)家利用物理、化學(xué)等相關(guān)知識(shí)設(shè)計(jì)了一種可以自由變溫的智能化建筑材料，被稱(chēng)為“變色龍”建材。

這種材料內(nèi)部含有可以在固體液體兩種構(gòu)象間自由轉(zhuǎn)換的層，分別是可以保留紅外能量使溫度升高的固體銅和發(fā)射紅外線(xiàn)使溫度降低的電解質(zhì)水溶液。

可呈現(xiàn)兩種構(gòu)象的層：保留紅外能量使溫度升高的固體銅；發(fā)射紅外線(xiàn)使溫度降低的電解質(zhì)水溶液。

（圖片來(lái)源：美國(guó)芝加哥大學(xué)分子工程學(xué)院）

因此，當(dāng)材料周?chē)鷾囟劝l(fā)生變化時(shí)，賦予材料少量的電便可使金屬顆粒發(fā)生化學(xué)變化，進(jìn)而調(diào)控材料內(nèi)部的納米顆粒沉積形貌，最終改變材料對(duì)于紅外熱輻射的發(fā)射率來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)節(jié)。

當(dāng)外界溫度升高時(shí)，建筑材料可以釋放紅外線(xiàn)熱量使建筑物內(nèi)部溫度降低。當(dāng)溫度降低時(shí)，該材料便會(huì)自發(fā)維持建筑物內(nèi)部的溫度。整個(gè)過(guò)程需要的電能極低，可以極大地節(jié)省取暖的能耗。

變色龍

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

會(huì)發(fā)光的高性能混凝土

混凝土是在建筑中廣泛使用的材料之一。賦予混凝土新的性能同樣有利于低碳、環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

在混凝土合成過(guò)程中，摻入光致發(fā)光材料，當(dāng)利用這種混凝土建成建筑或者鋪到路面上后，在吸收可見(jiàn)光后，混凝土建筑在夜晚會(huì)持續(xù)地發(fā)光為行人及車(chē)輛照明。此種材料的使用省去了額外的人工能源的照明設(shè)備使用，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

馬路

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

結(jié)語(yǔ)

低碳、環(huán)保、綠色的建筑材料對(duì)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要，也直接影響著人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。相信科技的進(jìn)步必會(huì)為人類(lèi)帶來(lái)更多的優(yōu)質(zhì)材料。讓我們共同期待一個(gè)更加綠色環(huán)保的美好未來(lái)!

參考文獻(xiàn)：

[1] Xuetao Xu, Ziyun Chen, Xizi Wan, et al. Colonial sandcastle-inspired low-carbon building materials. Matter 6, 1–13, 2023.

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[4] 黃鵬飛,袁大偉.發(fā)光混凝土的研究進(jìn)展與展望[J].江西建材, 2015(17):2.