北京
一種常用于賦予冰淇淋綿密質(zhì)感的生物聚合物，能夠改善天然泥土材料的3D打印適性和強(qiáng)度。
科學(xué)家們找到了一種將普通生物聚合物轉(zhuǎn)化為高科技、可3D打印建筑材料的方法。
秘密成分是海藻酸鈉——正是這種從海藻中提取的生物聚合物，讓冰淇淋口感綿密，也讓爆爆珠富有彈牙的脆感。
由科羅拉多大學(xué)博爾德分校和哥倫比亞大學(xué)研究人員主導(dǎo)的一項(xiàng)新研究表明，只需向當(dāng)?shù)仞ね梁蜕匙又刑砑訕O少量的這種食品級(jí)成分，就能讓混合物變得極其順滑，非常適合3D打印，并且最終成型的結(jié)構(gòu)異常堅(jiān)固。
研究發(fā)現(xiàn)，海藻酸鈉會(huì)改變黏土顆粒所帶的電荷，使它們相互排斥，從而讓混合物保持穩(wěn)定，并能順暢地流過3D打印機(jī)的噴嘴。
“從白蟻丘到土坯建筑，人類和動(dòng)物自古以來(lái)就在用泥土建造，”土木、環(huán)境與建筑工程系教授威爾·斯魯巴爾說，“但對(duì)于泥土建造者如何設(shè)計(jì)材料，相關(guān)的科學(xué)研究并不多。因此，我們希望借助科學(xué)知識(shí)和工具來(lái)理解它?！?/p>
讓混凝土靠邊站
為了改變這一現(xiàn)狀，團(tuán)隊(duì)從大自然中尋找靈感。白蟻、黃蜂和巢沙蠶都能建造出復(fù)雜且耐久的構(gòu)造，而它們連一袋混凝土都沒用。這些結(jié)構(gòu)是利用它們唾液中含有的生物分子將泥土粘合在一起。
研究人員測(cè)試了五種不同的天然粘合劑，包括黃原膠和瓜爾膠等日常廚房增稠劑。它們大多像強(qiáng)力膠水一樣作用，將土壤緊緊粘合在一起，結(jié)果卻堵塞了3D打印機(jī)。
海藻酸鈉的作用恰恰相反。它不像膠水那樣粘合，而是改變了黏土顆粒所帶的電荷，使它們像磁鐵同極相斥一樣互相排斥。顆粒毫不費(fèi)力地彼此滑過，流動(dòng)時(shí)像液體，凝固后卻堅(jiān)硬如石。
值得注意的是，只需向從科羅拉多采石場(chǎng)挖來(lái)的生土中添加0.12%的海藻提取物，就解鎖了這一理想配方。這種新混合物比普通泥土的打印速度快33%，并且能承受的壓力高出25%。
測(cè)試中展現(xiàn)出巨大潛力
為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)打印了一堵8毫米（0.3英寸）厚的薄墻，墻體以60度角向外傾斜，卻能穩(wěn)穩(wěn)地立住。相比之下，這個(gè)傾斜度遠(yuǎn)比比薩斜塔還要陡峭。
其環(huán)境意義也十分巨大。建筑工地在開挖地下室和地基時(shí)，通常會(huì)挖出成噸的土壤。目前，這些泥土大多被卡車運(yùn)往填埋場(chǎng)。而這種新方法讓建造者可以在現(xiàn)場(chǎng)直接回收利用這些廢棄物，將令人頭疼的處置難題轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)穩(wěn)固的墻體。
此外，泥土墻還是天然的空氣調(diào)節(jié)器，能調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度、捕獲污染物，并隔絕極端的冷熱。
由于黏土和沙子隨處可得，這項(xiàng)技術(shù)可以在任何地方應(yīng)用，用我們腳下的土地取代沉重、高碳排放的混凝土。
雖然本研究主要解決的是可打印性問題，但研究人員指出，他們建立的框架現(xiàn)在可以用來(lái)測(cè)試其他天然生物聚合物。這為發(fā)現(xiàn)新的有機(jī)添加劑打開了大門，有望進(jìn)一步最大化3D打印泥土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和長(zhǎng)期耐久性。
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