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。论文通讯作者是王树涛；第一作者是徐雪涛。
生产传统水泥基建材在高温焙烧过程中需消耗大量能量（约3.3 GJ/t）并产生巨额碳排放量（约800 kgCO2/t）。针对于此，急需发展新型低碳建筑材料，尤其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。近年来，国内外开展了大量的研究工作，提出多种基于天然原料的粘结剂，如生物高分子、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材强度普遍较低，难以满足实际建筑需求。因此设计天然基低碳建筑材料仍具有挑战性。
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。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，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。
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。该天然基仿生低碳新型建筑材料的抗压强度高达17 MPa，可达到常规建筑材料要求标准。此外，该天然基仿生低碳新型建筑材料具有优异的抗老化性能、防水性能以及独特的可循环利用性能。因此，这一仿生低碳新型建筑材料在低碳建筑领域具有巨大应用潜力。
图1：天然基仿生低碳新型建筑材料设计及结构表征。
图2：天然基仿生低碳建筑材料力学性能测试。
图3：利用天然基粘结剂粘结沙粒构筑仿生低碳建筑材料的机理研究。
图4：天然基仿生低碳建筑材料实际应用性能展示。
该研究设计了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创新性思路。该工作得到国家自然科学基金和中国科学院国际伙伴计划等的支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.08.023
