生产传统水泥基建材时，在高温焙烧过程中需消耗大量能量，并产生巨额碳排放量。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。
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。中国科学院理化所供图
9月20日，一项关于仿生低碳新型建筑材料的研究成果，发表在国际学术期刊《物质》杂志上。中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室研究员王树涛为论文通讯作者，博士徐雪涛为第一作者。
据悉，研究人员受到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的仿生低碳新型建筑材料nLCBM/±，为在建筑领域中降低碳排放量提供了新思路。
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。王树涛研究团队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。该材料的抗压强度高达17兆帕，可达到常规建筑材料要求标准。
利用电荷相互作用的可逆性，仿生的nLCBM/±可以通过简单的水合过程进行回收。如图4 A所示，当原始材料被粉碎时，向碎片中加入适量的水用于水化过程（碎片的质量是水的4.7倍）。在室温下2小时后，混合物从碎片变为砂浆，可以进一步重塑为可回收的nLCBM / ±。即使在五个循环中，nLCBM/±也保持与原始nLCBM/±相似的抗压强度和弹性模量（图4B）。此外，nLCBM/±可以重塑成不同的形状，如棒状、板状、平面雕塑和立体雕塑（图 4C）。因此，与传统的水泥基建筑材料相比，仿生nLCBM/±具有独特的可回收性，有望减少建筑垃圾并节省资源。
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，在低碳建筑领域具有巨大应用潜力。
兼具轻质、高强，隔热和耐火性能的先进建筑材料是我国建筑行业实现“双碳目标”的重要基础，设计和制备高效隔热的多功能建筑材料至关重要。传统的商用保温材料已经无法满足下一代绿色建筑的能效要求。
虽然硅气凝胶作为最先进的绝热材料之一，具有高孔隙率（99.98%）和极低导热系数（仅0.018 W m-1 K-1），但其天然脆性和昂贵的制备工艺限制了大规模应用。因此，实现低密度、高力学性能和低导热率的先进隔热材料的组合是一项巨大挑战。在建筑材料研发中，追求轻质、高强、隔热和耐火的全新解决方案势在必行。
使用水泥气凝胶（左侧）和混凝土（右侧）作为建筑外壳时，能源节约过程的示意图比较：水泥气凝胶比混凝土更轻、具有更好的保温性能和耐火性能。
该研究提出有机-无机杂化气凝胶设计策略，充分发挥水泥水化产物 C-(A)-S-H 自固化和自胶粘特点，通过可控定向冷冻法诱导 C-S-H 凝胶成核形成有序仿墨鱼骨微结构，开发出一种新型水泥基气凝胶;新型水泥气凝胶密度低至 15Kg/m3，导热系数低至 0.02W/(m·K)，比强度最高为1216.88 MPa cm3 g-1，同时具有负泊松比、比强度高等优异的综合性能。解决了现有常规气凝胶材料强度低、脆性大、工艺复杂、难以宏量化生产的难题，拓展了气凝胶种类，推动了水泥材料从 “传统性能” 到“先进功能”的跨越，成为未来超低能耗建筑隔热材料选择之一。相关论文被选为封面期刊发表在Advanced Science，以及Carbon Energy上。
数据概览
图1作为建筑材料的水泥气凝胶、木材、多孔水泥、聚合物泡沫和陶瓷气凝胶的性能对比。
图2水泥气凝胶的设计和微观结构。a) 水泥气凝胶的XCT扫描图。b) 带有壁和隔板的水泥气凝胶的扫描电子显微镜图像。c) 水泥气凝胶的能量散射谱（EDS）图，显示检测到的元素（碳、硅酸盐、钙和铝）。d) PVA、CASH和水泥气凝胶的傅里叶变换红外光谱图。e) 水泥气凝胶的X射线光电子能谱（XPS）。f) 模拟水泥气凝胶的全景图。g) PVA链与C-A-S-H颗粒之间界面的放大示意图。
图3水泥气凝胶的力学性能。a) 水泥气凝胶在轴向压缩试验下的应力-应变曲线。b) 水泥气凝胶的老化试验，表明机械强度增加，插图为密度为0.015 g cm−3的轻质水泥气凝胶。c) 水泥气凝胶受冲击载荷的实时图像组。d) 水泥气凝胶的泊松比随压缩应变的变化。e) 水泥气凝胶与其他商业材料的密度和模量对比。f) 水泥气凝胶与其他商业材料的韧性与密度对比。
图4水泥气凝胶的热阻和耐火性能。a) 加热实验中水泥气凝胶的红外图像。b) 水泥气凝胶的热重分析。c) 水泥气凝胶的热绝缘性能示意图。d) 水泥气凝胶与商业材料的热导率对比。e) 火焰下的水泥气凝胶照片。f) 火焰下的纯水泥照片。
图5 水泥气凝胶的电池应用实验。(A)水平燃烧测试。(B)锂电池的热失控实验对比图（有无水泥气凝胶包覆）。(C)样品表面的温度变化。(D)锂电池的热失控红外对比图（有无水泥气凝胶包覆）。(E)锂电池包表面的温度变化。(F)温度传感器的放置。(G) NCM 523锂电池热失控实验示意图。(H)两个NCM 523电池包热失控实验对比图（有无水泥气凝胶隔离）。
通讯作者为东南大学材料学院佘伟教授和普渡大学李恬教授，第一作者为东南大学、普渡大学联合培养博士生杜丰音。本项目由重点研发2021YFF0500802，国家自然科学基金51890904，52022022, 和52278247支持。
素材来源：中国科学院、中国青年报、Matter、材料人等
