Modelo impreso en 3D de un diseño de superficie mínima periódica triple (TPMS). Crédito: Universidad de Pensilvania
Desde las mezclas de barro, paja y yeso de las pirámides monumentales del antiguo Egipto hasta el sofisticado material submarino empleado por ingenieros romanos en estructuras icónicas como el panteón, el concreto ha simbolizado durante mucho tiempo la resiliencia e ingenio de la civilización.
Sin embargo, hoy en día, el concreto se encuentra en un vínculo paradójico: el material mismo que permitió que las sociedades florecieran también es responsable de hasta el 9% de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. El cambio climático, en sí mismo profundamente arraigado en el uso de combustibles fósiles, presenta a la humanidad un desafío existencial si las personas buscan construir de manera sostenible las estructuras que apoyan la vida moderna, a saber, casas nuevas, carreteras, puentes y más.
Ahora, los diseñadores, científicos de materiales e ingenieros de la Universidad de Pensilvania se han unido para crear un concreto infundido biomineral mediante la combinación de la impresión 3D con la arquitectura fósil de algas microscópicas. Este concreto es notablemente liviano, pero estructuralmente sólido, y captura hasta un 142% más de CO₂ que las mezclas convencionales al tiempo que usa menos cemento y aún cumple objetivos estándar de resistencia a la compresión.
El ingrediente clave es la Tierra Diatomeas (DE), un material de relleno popular hecho de microorganismos fosilizados. Los investigadores encontraron que la textura fina, porosa y similar a una esponja de DE no solo mejora la estabilidad del concreto, ya que se empuja a través de una boquilla de impresora 3D, sino que también proporciona sitios abundantes para atrapar dióxido de carbono.
Estos recomendacionesque se informan en materiales funcionales avanzados, allane el camino para los materiales de construcción que sostienen puentes y rascacielos y ayudan a restaurar los ecosistemas marinos y capturar carbono del aire.
“Por lo general, si aumenta la superficie o la porosidad, pierde la fuerza”, dice el autor co-senior Shu Yang, profesor de ingeniería de Joseph Bordogna y Ciencias Aplicadas y Presidente del Departamento de Ciencias de los Materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas. “Pero aquí, era todo lo contrario; la estructura se hizo más fuerte con el tiempo”.
Ella señala que el equipo no solo logró “una conversión de CO₂ adicional 30% más alta” cuando la geometría del material se optimizó aún más, sino que lo hizo mientras mantenía una resistencia a la compresión comparable al concreto ordinario. “Fue uno de esos raros momentos en los que todo funcionó mejor y se veía mejor”, dice ella.
“Pero no se trataba solo de la estética o la reducción de la masa”, agrega el autor co-senior Masoud Akbarzadeh, profesor asociado de arquitectura en la Escuela de Diseño de Weitzman. “Se trataba de desbloquear una nueva lógica estructural. Podríamos reducir el material en casi un 60%, y aún así llevar la carga, lo que demuestra que es posible hacer mucho más con mucho menos”.
¿Por qué la tierra concreta y diatomeas?
Yang vio potencial para aplicar su experiencia en ciencias de los materiales para imbuir la mezcla de grava, cemento y agua de concreto con propiedades de captura de carbono.
“No sabía mucho cuando comenzamos”, dice ella, “pero entendí que la reología, cómo fluyen e interactúan las partículas, era crucial para cómo se comporta el concreto durante la mezcla e impresión”.
Para traducir esa comprensión en una formulación viable de impresión en 3D, se apoyó en la experiencia de su ex investigador postdoctoral y primera autora del artículo, Kun-Hao Yu, quien anteriormente había trabajado con concreto en la ingeniería civil y contextos de fabricación aditiva.
“El concreto no es como los materiales de impresión convencionales”, explica Yu. “Tiene que fluir suavemente bajo presión, estabilizarse rápidamente después de la extrusión y luego fortalecerse continuamente a medida que se cura”. Esa complejidad, dice, hizo que sea un desafío ideal aplicar una mezcla de química, física y pensamiento de diseño.
Al mismo tiempo, Yang había estado revisando la Tierra Diatomeas, que había encontrado anteriormente en estudios de cristales fotónicos naturales y fregaderos de carbono en el Océano Austral, donde las diatomeas ayudan a reducir los gases de efecto invernadero al transportar Co₂ al fondo del mar cuando mueren. Las diatomeas, una especie de antiguas algas microscópicas, construyen conchas de sílice intrincadas y porosas que, durante millones de años, se han acumulado en el DE ahora utilizado en todo, desde filtros de la piscina hasta aditivos del suelo.
“Me intrigó cómo este material natural podía absorber Co₂”, dice Yang. “Y comencé a preguntarme: ¿Qué pasaría si pudiéramos integrarlo directamente en los materiales de construcción?”
El equipo descubrió que la red interna de poros de DE no solo proporcionaba vías para que el dióxido de carbono se difundiera en la estructura, sino que también permitía que se formara carbonato de calcio durante el curado, mejorando así la absorción de Co₂ y la resistencia mecánica.
Yu lideró el desarrollo de la tinta de hormigón imprimible, las variables de calibración para la impresora 3D como las relaciones de agua-binder, tamaño de la boquilla y velocidad de extrusión.
“Realizamos muchas pruebas”, dice. “Lo que más nos sorprendió fue que a pesar de la alta porosidad que normalmente actúa un impedimento para el estrés, el material en realidad se fortaleció a medida que absorbió el CO₂”.
La geometría oculta de la captura de carbono
Mientras que Optimizó el material en sí, la geometría jugó un papel igualmente transformador. Akbarzadeh y su equipo recurrieron a superficies mínimas periódicas (TPM) triplicadas, estructuras matemáticamente complejas pero naturales que se encuentran en huesos, arrecifes de coral y estrellas de mar. Estas formas “continuas”, que carecen de bordes o descansos afilados, son apreciados por su capacidad de maximizar el área de superficie mientras minimizan la masa.
“Las formas son complejas, pero naturalmente eficientes en que maximizan el área de superficie y la rigidez geométrica al tiempo que minimizan el material”, explica Akbarzadeh. “En la naturaleza, la forma y la función son inseparables, por lo que queríamos llevar ese principio a los arreglos de estos materiales”.
Utilizando las estadísticas gráficas poliédricas, un método que mapea las distribuciones de fuerza a través de la geometría, su equipo diseñó una estructura concreta que podría soportarse, incluso con voladizos empinados, mientras permanece lo suficientemente abierto y poroso para la exposición máxima de CO₂.
En las estadísticas gráficas, Akbarzadeh explica que cada línea en el diagrama de formulario representa el flujo de fuerza, lo que permite al equipo sintonizar cómo las fuerzas compresivas y de tracción se distribuyen a través de la estructura. Luego acoplaron eso con cables posteriores a la tensión para mejorar la estabilidad interna del concreto.
Hallazgos y trabajo futuro
Una vez modelado, los formularios se cortaron digitalmente en capas imprimibles y se optimizaron para extruir suavemente sin colapsar, flactar o obstruir la boquilla de la impresora. Los componentes impresos resultantes se probaron bajo carga y se sometieron a entornos carbonatados, que culminaron en estructuras que usaban 68% menos material que los bloques de concreto tradicionales al tiempo que aumentaba su relación de área de superficie a volumen en más del 500%. Además, el Cubo TPMS retuvo el 90% de la resistencia a la compresión de la versión sólida y logró una captación de CO₂ 32% más alta por unidad de cemento.
Mirando hacia el futuro, el equipo está avanzando el trabajo en múltiples frentes, incluido el escala hasta elementos estructurales de tamaño completo, como pisos, fachadas y paneles de carga.
“Estamos probando componentes más grandes con esquemas de refuerzo más complejos”, dice Akbarzadeh, refiriéndose a los cables posteriores a la tensión incrustados y las geometrías de equilibrio de fuerza en las que su laboratorio se especializa. “Queremos que estos no sean solo fuertes y eficientes, sino edificables a escala arquitectónica”.
Otra avenida se centra en la infraestructura marina. Debido a su porosidad y compatibilidad ecológica, el concreto DE-TPMS puede ser adecuado para estructuras como arrecifes artificiales, camas de ostras o plataformas de coral. “Estamos especialmente entusiasmados por implementar esto en contextos de restauración”, dice Yang. “La superficie alta ayuda a los organismos marinos a unirse y crecer, mientras que el material absorbe pasivamente el CO₂ del agua circundante”.
El equipo de Yang también está explorando cómo podría trabajar con otros químicos de aglutinante más allá de los cementos estándar de la industria, como los sistemas basados en magnesio o activados con álcali. “Queremos impulsar esta idea más”, dice ella. “¿Qué pasaría si pudiéramos eliminar el cemento por completo? O usar flujos de desechos como componente reactivo?”
“En el momento en que dejamos de pensar en el concreto como estático y comenzamos a verlo como dinámico, como algo que reacciona a su entorno, abrimos un mundo completamente nuevo de posibilidades”, agrega.
Más información: Kun –hao Yu et al, impresión de concreto 3D de superficies mínimas periódicas triples para una mayor captura y almacenamiento de carbono, materiales funcionales avanzados (2025). Dos: 10.1002/ADFM.202509259
Proporcionado por la Universidad de Pensilvania
Cita: la nueva mezcla de concreto absorbe más dióxido de carbono mientras se usa menos cemento (2025, 9 de julio) recuperada el 9 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-concrete-lend-absorbs-carbon-dioxide.html
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