材料科普 | 这些新型建筑材料，你认识几个？

2023-10-24

在建筑行业中，为了满足人们的建筑构造需要，市面上有各种各样不同的材料，其中人们熟悉的就是模板、水泥、钢筋等等，但随着时代的发展，建筑材料也在逐渐创新。且所有新型建材几乎都具有轻质、高强度、保温、节能、节土、装饰等优良特性。

如今新型建材的发展已经成为必不可挡的趋势，越来越多的**外材料工程师和设计师专注于研究自然与科技的关系，以开发更具可持续性的建筑材料。

大胆畅想

随着科技持续发展

建筑的未来会是什么样子？

下面列出的8项新型建筑材料

不久的将来或将改变整个建筑环境

石墨烯气凝胶

由我国浙江大学的研究人员研究开发而成的石墨烯气凝胶，是目前已知的地球上最低密度的物质之一，它是一种泡沫状固体材料，尽管几乎轻如空气却保有固定形状。有的气凝胶的密度只有空气的3倍，但通常气凝胶是空气的15倍重。

你可能会认为气凝胶是如发胶一般湿湿的物质，实际上气凝胶是通过排除凝胶中的液体制得的。除去90%到99%的空气以外，剩下的只是二氧化硅结构。气凝胶几乎没有重量，但是可以拉长成薄片气凝胶织物。在建设项目中，气凝胶织物具有“超强隔热”的特性，其多孔结构使热量很难通过。测试表明气凝胶织物的隔热能力是传统玻璃纤维或泡沫绝缘材料的2到4倍。一旦价格适中，它就可以广泛应用于建筑。

绿色木炭

目前广泛应用于建筑的混凝土面临着许多技术挑战。例如，传统的钢筋容易生锈，导致整个复合材料的强度等性能下降；另外，混凝土也很难回收，几乎为一次性材料。印度设计与创新学院的Meenal Sutaria和Shreyas More设计了一种替代复合材料，由多孔碳、丝瓜络纤维、肥土、水泥和包裹在其中的空气组成。选择的每种材料都有自己的优势：多孔碳质量轻，同时可吸附空气污染物；有机丝瓜络增强复合材料韧性；而土壤则起到弹性粘合剂和保持稳定pH值的作用。虽然这种材料仍处于原型研发阶段，但在可生物降解的景观墙中具有广泛的潜在适用性。

纳米材料

纳米技术正在推动材料科学，它突破了曾经看起来不可能的限制。TRY2004金字塔超级城市概念曾为东京发展做出了很大的帮助，但由于该项目的难度，它只能在碳纳米管的帮助下完成。

当与高强度混凝土结合使用时，碳纳米管（CNT）等纳米材料会产生一种伸缩性强的材质，使得建筑不再需要钢筋，因此加快了施工进程。还有更多的可能性，其他发展包括超轻型（超强）材料以及另一种自修复混凝土。

可编程水泥

混凝土生产是温室气体排放的罪魁祸首之一。为了进一步改进混凝土材料，美国莱斯大学的研究人员将目光投向了纳米级领域，他们研究了硅酸钙水合物(C-S-H)水泥如何结晶，并用它来合成具有特定形状的C-S-H颗粒。研究人员将它们变成立方体，矩形、棱柱、树突状、核壳和菱形，这样的形状能够让它们更密集地放在一起。团队能够通过调整原始种子的浓度、温度和生成过程的持续时间来控制这些最终颗粒的数量、大小和形状。然后将该信息映射成可以与制造商和建造者共享的统一形态图，使他们设计具有特定期望属性的混凝土。

“一个优点是，因为它变得更强硬，所以不需要太多就能达到以前的效果，”研究人员解释说：“这是由于立方体颗粒的压紧效果更好会产生更强的微观结构；另一个优点是其更耐用，以及更少的孔隙率使得其隔绝了更多化学物质的进入，因此钢筋内部不易受到破坏。”

自修复混凝土

过去修复有裂缝的混凝土的途径就是修补它、加强它，或者把它敲下来从头开始。但以后将不需再这样了。美国罗德岛大学的研究生和化学工程教授创建了一种新型“智能”混凝土，可以“智能”修复自身的裂缝。这是因为混凝土混合物中嵌入了微型水玻璃胶囊。当裂纹产生时，胶囊破裂并释放一种凝胶状愈合剂，变硬填补空隙，实现自我修复。

延长混凝土的寿命能带来巨大的环境效益。目前世界范围内的混凝土生产占全球二氧化碳排放的5%。智能混凝土不仅会使我们的结构安全，也可以减少温室气体的排放。

温控反映瓷砖

图中的桌子上运用了温控反映瓷砖，所以当热的东西放在桌子上面时，桌面就会变色。这种温控反映瓷砖，是一家名为移动颜色(Moving Color)的公司生产着一种玻璃装饰瓷砖，瓷砖表面涂覆着一种热致变色染料，可以像“活着”一般随表面温度发生变化。在室温下，瓷砖是一个光滑的黑色，但当你接触到瓷砖或者有光直射或温水接触时，瓷砖颜色就像北极光一样转变成彩虹般的蓝色、绿色和粉红色。

温控反映瓷砖，也是一种新技术，未来**会得到广泛的应用。它的妙处在于可以根据温度的不同，变换不同的颜色。

碳纳米管

碳纳米管是目前可制备出的具有很高比强度的材料，可以拉伸超过厚度的一百万倍。一纳米(nm)只有一米的十亿分之一，这是微乎其微的小。一张纸的厚度是100000nm。人的指甲生长速度大约1nm每秒，即使人的DNA链也只是2.5nm宽。这样看来构造“纳米”级的材料似乎是不可能的。但科学家和工程师通过使用电子束光刻技术等技术，已经成功地创造出壁厚只有1nm的碳纳米管。

当大的粒子变小时，其表面积在不断增加。这些碳纳米管具有比地球上其它任何材料都高的比强度，可以拉伸超过厚度的一百万倍。碳纳米管的质量之轻和强度之高，使它们可以嵌入到其他金属、混凝土、木材和玻璃等建筑材料中来增加材料密度和抗拉强度。工程师们甚至尝试在建筑材料加入纳米传感器，这样可以在材料破裂和开裂之前监测出来。

透明铝材

透明铝材可以需要更小的内部支撑来建造高耸的玻璃幕墙摩天大楼。

几十年来，化学工程师梦寐以求地开发一种结合了金属的强度和耐久性的与玻璃般透亮的材料。这种“透明金属”可以以很小的内部支撑来建造高耸的玻璃幕墙摩天大楼。军事建筑可以安装这种薄而透明的金属窗户经受起大的炮火攻击。而早在1980年代，科学家们就开始试验一种由铝、氧和氮混合粉所形成的新型陶瓷。陶瓷经过热处理和冷却过程得到硬度很高的晶体材料。他们将混合铝粉置于巨大的压力之下，在2000℃(3632 F)高温加热数天，最后抛光生产出透明如玻璃一般又兼具铝的强度的新材料。这种被认为是透明铝材或者ALON的太空材料已经用于军队生产装甲窗户和光学透镜。

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