仿生低碳新型材料，让建筑更加绿色环保！

出品：科普中国

作者：石雾遥（生物学博士）

监制：中国科普博览

随着社会的不断进步以及城市化进程的推进，各类建筑拔地而起、层出不穷。在21世纪的今天，环境污染问题备受关注。建筑材料对环境造成的污染是不容小觑的。

目前，建材中常用的水泥、钢筋等是靠燃烧燃气、煤等进行生产的，因此会释放大量的一氧化碳、二氧化碳等对环境有毒有害的气体，影响人类的健康。由此可见，发展新型绿色环保建筑材料来替代传统的材料是十分重要的。

水泥钢筋

（图片来源：veer图库）

沙塔蠕虫：环保建材中的自然力量

2023年9月，我国科学家在《物质》杂志上发表了一项关于仿生低碳新型建筑材料的文章，这种材料的问世有望为人类带来绿色环保的建筑材料，成为建筑节能减排新利器！

研究成果发表于《物质》杂志

（图片来源：参考文献[1]）

为了使建筑材料更加牢固稳定，人们通常使用粘结剂将不同的原料粘连在一起形成块状材料。为了更加绿色环保，目前使用的天然的粘结剂包括细菌矿化粘结剂、酶矿化粘结剂与生物高分子粘结剂等。这些粘结剂虽然能实现比较好的粘连效果，但是制作而成的块状材料的强度比较低，在实际使用时受限。

沙塔蠕虫被称为生物界的“超级胶水”，它们可以分泌带有正负电荷的蛋白质粘液，通过电荷的相互作用实现沙粒的粘连，最终构筑成坚固的巢穴。

受此启发，科学家们利用带有正电的季铵化壳聚糖和带负电的海藻酸钠制作成天然粘结剂，利用相异电荷之间及氢键等的相互作用完成沙粒等各类固体颗粒的粘结，最终形成仿生低碳建筑材料的聚集体。

此外，科学家们将这些聚集体进一步在模具中进行固化，2天的时间就能得到可供使用的天然仿生低碳建筑材料。此种材料的制备效率要比在建材中使用的水泥提高10倍以上，而在制造过程中不会产生对环境污染的废气。

仿生低碳材料的设计思路与结构

（图片来源：参考文献[1]）

科学家进一步对仿生低碳建筑材料的机械性能、抗压缩力、抗弯曲力进行评估。实验证实，此种材料在抗压性能上达到了目前规定的建筑材料要求标准，抗压强度高达17MPa，具备较好的机械稳定性。

此外，此种材料的抗弯曲力也超过了目前市面上常用的无筋混凝土。在经过超过100次反复的拆卸后，该材料仍保持了较好的结构完整性。

更惊喜的是，由于此材料作为粘结剂时主要靠电荷相互作用，而电荷相互作用是可逆的。因此，此种材料可以通过水合作用进行拆解，在室温下反应2小时，就能实现材料的回收。

可见，此种材料在节能环保方面具有独特优势，并在绿色低碳建筑领域蕴含着巨大的潜力。

仿生低碳建筑材料的性能评价

（图片来源：参考文献[1]）

还有哪些绿色环保的建筑材料?

除了上面介绍的仿生低碳建筑材料以外，科学家们还研制出了许多性能优且极具环保性的建筑材料。这些材料有的可以自主控制温度的变化，有的甚至还能发光！是不是已经迫不及待想了解了？那么我们就一起往下看吧！

科学家利用物理、化学等相关知识设计了一种可以自由变温的智能化建筑材料，被称为“变色龙”建材。

这种材料内部含有可以在固体液体两种构象间自由转换的层，分别是可以保留红外能量使温度升高的固体铜和发射红外线使温度降低的电解质水溶液。

可呈现两种构象的层：保留红外能量使温度升高的固体铜；发射红外线使温度降低的电解质水溶液。

（图片来源：美国芝加哥大学分子工程学院）

因此，当材料周围温度发生变化时，赋予材料少量的电便可使金属颗粒发生化学变化，进而调控材料内部的纳米颗粒沉积形貌，最终改变材料对于红外热辐射的发射率来实现对温度的调节。

当外界温度升高时，建筑材料可以释放红外线热量使建筑物内部温度降低。当温度降低时，该材料便会自发维持建筑物内部的温度。整个过程需要的电能极低，可以极大地节省取暖的能耗。

变色龙

（图片来源：veer图库）

会发光的高性能混凝土

混凝土是在建筑中广泛使用的材料之一。赋予混凝土新的性能同样有利于低碳、环保目标的实现。

在混凝土合成过程中，掺入光致发光材料，当利用这种混凝土建成建筑或者铺到路面上后，在吸收可见光后，混凝土建筑在夜晚会持续地发光为行人及车辆照明。此种材料的使用省去了额外的人工能源的照明设备使用，从而达到节能环保的目的。

马路

（图片来源：veer图库）

结语

低碳、环保、绿色的建筑材料对环境保护至关重要，也直接影响着人类社会的可持续发展。相信科技的进步必会为人类带来更多的优质材料。让我们共同期待一个更加绿色环保的美好未来!

参考文献：

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

[2]秦钢.发展低碳建材 推进节能减排[J].四川建筑, 2010(2):1.

[3] Chenxi Sui, Jiankun Pu, Ting-Hsuan Chen, et al. Dynamic electrochromism for all-season radiative thermoregulation. Nat Sustain (2023).

[4] 黄鹏飞,袁大伟.发光混凝土的研究进展与展望[J].江西建材, 2015(17):2.