建筑作为人工作和生活的主要空间载体，是能源消耗的三大领域之一，也是重要的二氧化碳排放源。
《2022年全球建筑建造业现状报告》显示，在2021年，建筑物和建设行业占到了全球能源需求的34%以上；在与能源消耗和工艺流程相关的二氧化碳排放当中，其占比则达到37%左右。
在我国，建筑业的碳排放量也是碳减排的重中之重。《2022中国城乡建设领域碳排放系列研究报告》显示，2020年全国建筑与建造能耗总量为22.7亿吨标准煤，占全国能源消费总量的比重为45.5%。2020年全国建筑与建造碳排放总量为50.8亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为50.9%。
作为建筑材料的主要成分，水泥是不可或缺的。传统水泥基建材在高温焙烧过程中不仅需消耗大量能量，而且还会排放大量二氧化碳。（约800 kgCO2/t）因此，发展新型低碳建筑材料，特别是基于天然原料的低碳建筑材料，对于在建筑领域内降低碳排放量具有重要意义。
2023年9月20日，中国科学院理化技术研究所王树涛研究员团队在Matter期刊上发表了一篇题为“Colonial sandcastle-inspired low-carbon building materials”的研究成果。
该研究受自然界中沙塔蠕虫构筑巢穴过程启发，利用天然基粘结剂粘结沙粒、矿渣等各类固体颗粒，在低温常压条件下制备了力学性能优异仿生低碳新型建筑材料，为在建筑领域中降低碳排放量提供了新思路。
图说：Colonial sandcastle-inspired low-carbon building materials
来源：Matter
01
受沙塔蠕虫巢穴启发的低碳建筑材料
近年来，国内外开展了大量的研究工作，提出多种用于构筑建筑材料的基于天然原料的粘结剂，如生物高分子粘结剂、细菌矿化粘结剂及酶矿化粘结剂等。
然而，目前利用各类天然基粘结剂粘结沙粒及其他固体颗粒，所形成的块状建筑材料的强度普遍较低，难以满足实际应用需求。因此，设计出高强度的天然基低碳建筑材料仍然是一个亟待攻克的难题。
图说：受沙塔蠕虫巢穴启发的仿生低碳新型建筑材料设计及力学性能
来源：中国科学院理化所
此次，中国科学院理化技术研究所王树涛研究员团队运用仿生策略，设计了受沙塔蠕虫巢穴所启发的天然基仿生低碳新型建筑材料（Natural-based low-carbon building materials：nLCBMs/±）。自然界中，沙塔蠕虫可通过分泌复合有正电性蛋白与负电性蛋白的粘液粘结沙粒构筑坚固的巢穴。受此过程启发，研究人员引入正电性季铵化壳聚糖与负电性海藻酸钠形成仿生天然粘结剂，实现了对于沙粒、矿渣等各类固体颗粒的牢固粘结，并最终在低温常压条件下形成高强度低碳建筑材料。
图说：通过仿生粘合策略构建天然基低碳新型建筑材料的机制
来源：Matter
为了阐明构建天然基仿生低碳建筑材料的机制，研究人员进一步研究了它们的内部微观结构和相互作用。如重建的 3D X 射线计算机断层扫描(3D-XCT) 图像（上图A）所示，砂粒随机紧密堆积，并通过接触点上的点状粘合剂/± 结合在一起。由于电荷相互作用和氢键等复杂的相互作用，这些粘合剂/±对于形成固体块状材料至关重要。电荷相互作用有两种：一种是粘合剂/±与带负电的砂粒之间的电荷相互作用，可以增强界面结合性能；另一种是带相反电荷的生物聚合物之间的电荷相互作用，可以提高提高粘合剂/± 的体积强度（上图B）。
02
仿生低碳新型材料的特点
带有相反电荷高分子的天然基粘结剂可通过静电相互作用，同时增强粘结剂与固体颗粒间的界面粘附强度以及粘结剂的本体强度，进而实现对于固体颗粒的牢固粘结，并最终形成高强度建筑材料。
图说：利用沙漠沙、海沙、矿渣等不同固体颗粒均可构筑高强度仿生低碳新型建筑材料
来源：中国科学院理化所
各种带负电的固体颗粒，如硅砂、沙漠沙、海沙等直径从百微米到几毫米的颗粒都可以作为天然基仿生低碳建筑材料的聚集体。通过将生物聚合物粘合剂与骨料充分混合并在模具中进一步固化，研究人员在2天内获得了天然基仿生低碳建筑材料，这比传统水泥混凝土的施工周期（约28天）要短得多。
在机械性能方面，天然基仿生低碳建筑材料抗压强度高达17 MPa，可达到常规建筑材料要求标准。即使在最大压力为15 MPa的100轮循环压缩测试后，天然基仿生低碳建筑材料仍保持结构完整性，表明其具有良好的机械稳定性。研究人员表示，可以通过调节nLCBMs/±的成分和粘合剂溶液中的盐浓度来优化其压缩性能。
除了抗压缩力之外，天然基仿生低碳建筑材料的优越性还体现在抗弯曲力方面，其弯曲强度超过了实际建筑中使用的无筋混凝土（平均弯曲强度为 4.5 MPa）。同时，改材料即使经过 100 次加卸载过程后仍保持其结构完整性。这些结果进一步表明，具有相反电荷的生物聚合物粘合剂的然基仿生低碳建筑材料表现出增强的机械性能。
图说：天然基仿生低碳新型建筑材料的可回收特性
来源：Matter
与此同时，利用电荷相互作用的可逆性，天然基仿生低碳建筑材料可以通过简单的水合过程进行回收，如上图A 所示，粉碎原始材料后，在碎屑中加入适量的水进行水合过程。在室温下 2 小时后，混合物从碎屑变成砂浆，可以进一步重塑为回收的材料。即使超过五个周期，天然基仿生低碳建筑材料仍保持与原始材料相似的压缩强度和弹性模量（上图B）。此外，该材料可以重塑为不同的形状，如条状、板状、平面雕塑和立体雕塑。因此，天然基仿生低碳建筑材料具有独特的可回收性，有望在减少建筑垃圾和节约资源方面超越传统的水泥基建筑材料。
此次，研究人员受自然界中沙塔蠕虫构筑巢穴过程启发，利用天然基黏结剂黏结沙粒、矿渣等各类固体颗粒，在低温常压条件下制备了天然基仿生低碳新型建筑材料。该材料具有超越现有天然建筑材料的优异机械性能，并表现出独特的可回收性、抗风化性能以及大尺寸制造实际应用的可行性。未来，这种天然基仿生低碳新型建筑材料将在低碳建筑领域具有巨大应用潜力。
