水泥在建筑和基礎設施建設領域發揮著極其重要的作用，混凝土的制備離不開水泥。隨著可持續建設和綠色建筑的興起，水泥在減少建筑和基礎設施的環境影響方面發揮著重要作用，它為建筑提供了堅固的基礎，支持著城市和社會的發展。

圖1 水泥的應用

傳統水泥是一種主要由石灰石、黏土等礦石經過熟煉制得的膠凝材料，常稱為普通硅酸鹽水泥。萊斯大學的科學家們研究和理解了水泥在動力學（即物質在時間和空間上的運動和變化）方面的行為和性質，并開發了一種方法，可以“編程”其中微觀的半晶粒子，"半晶粒子"（semicrystalline particles）是指具有部分晶體結構和部分非晶體結構的微觀顆粒。晶體結構是有序排列的，而非晶體結構則是無序的。半晶粒子的結構介于這兩者之間，其中一部分顆粒呈現有序排列，而另一部分則呈現無序排列。這項新研究之所以稱為"可編程水泥"，是因為其成功地探索了控制水泥動力學特性的方法，能夠使水泥形成特定形狀的微觀結構。這個過程將水泥中微觀尺度下無序的顆粒轉化為有序的立方體、球體和其他形狀，與單個非立方體對照顆粒相比，單個立方體顆粒的硬度和剛度值分別提高了 650% 和 300%。因此，以這些形狀為“種子”可以自下而上制造更強、更耐久的混凝土。

為什么說將無序變得有序是制造“可編程”水泥關鍵呢？因為，混凝土的強度和耐久性與水泥中的晶體排列和結構密切相關。通過調整水泥的微觀結構和化學成分，可以增強混凝土的性能。

圖2：微觀尺度的立方體水泥微觀顆粒

圖片來源：萊斯大學多尺度材料實驗室

萊斯大學的材料科學家Rouzbeh Shahsavari以及他的研究團隊通過大量實驗，成功地解析了混凝土中起到粘合作用的鈣硅酸鹽水化物（Calcium-Silicate-Hydrate,C-S-H）微觀級別的結晶過程，該過程也被稱為"形態發生"。

C-S-H是水化產物，是水泥顆粒與水反應后形成的凝膠狀物質；而混凝土中的顆粒是指混凝土中的骨料顆粒，包括粗骨料和細骨料，是混凝土的主要構成部分之一。C-S-H是混凝土中的一種組成，它填充了顆粒間的孔隙，使得顆粒之間更牢固地連接在一起。混凝土的強度和穩定性在很大程度上取決于C-S-H的含量及性質。

Shahsavari等人首次合成了各種形狀的C-S-H顆粒，包括立方體、長方體、樹枝狀、核殼結構和菱形顆粒，并將它們映射到一個統一的形態學圖表中，以供希望從底層設計混凝土的制造商和建筑師使用。C-S-H的基本構建塊是鏈狀聚合物，由硅酸四面體和鈣離子構成。這些鏈狀聚合物在水泥水化過程中形成，起到連接和包裹水泥中的顆粒的作用。C-S-H基本構建塊的形狀和大小可以影響水泥膠凝體系的力學性質和微觀結構。通過調整水泥的成分和水化條件，可以控制C-S-H基本構建塊的形成過程，從而調整水泥的性能和應用特性。如何調整水泥中C-S-H的基本構建塊形狀、大小，從而使這些構建塊能夠自動組裝成微觀結構呢？

雖然研究人員在C-S-H家族的晶體成員(包括硅灰石、硅鈣石)的形狀控制方面取得了顯著進展，但對于無定形或結晶性差的晶體成員在形狀控制方面進展尚有限，且之前用于在C-S-H中創建有序晶體的技術通常需要高溫或高壓條件、有機前體（有機化合物作為起始材料）和較長的反應時間，尚無既高效又環保的技術。萊斯大學的實驗室采用了一種新的方法。他們通過向C-S-H中添加少量正離子或負離子表面活性劑和硅酸鈣，并將混合物暴露在二氧化碳和超聲波下，成功地創造出了形狀規則的立方體和矩形晶體。這些晶體種子在表面活性劑微膠囊（表面活性劑膠囊是一種微小的膠囊，其外表面包裹著表面活性劑。這些膠囊通常由聚合物、脂質或其他合適的材料制成。表面活性劑是一類具有親水性（親水）和疏水性（疏水）區域的化合物，能夠在液體中降低表面張力。這種性質使得表面活性劑在形成膠囊結構時可以包裹一些物質，同時保持在液體中的懸浮狀態）聚集區域的周圍形成，此過程僅需不到25分鐘。一旦方解石（方解石是一種常見的礦物，其化學式為CaCO?，即碳酸鈣。它通常呈白色、無色或淡色，并在自然界中廣泛分布。）“種子”形成，它們會啟動周圍的分子自組裝成體積更大的立方體、球體或其他形狀。這些新的形狀可以在混凝土中更緊密地堆放，因此相較于傳統的無定形顆粒，提高了混凝土的密度和性能。通過仔細調節反應中的前體濃度、溫度和持續時間，可以改變最終形成的顆粒的產量、大小和形狀。

這一過程實現了所謂的“編程”，并且此方法有望用于制備更堅固和高性能的混凝土，同時實現了混凝土的可定制化設計，使其更符合工程需求，減少浪費，提高性能，同時降低了對資源的過度依賴，從而更具環保性。

圖3：a-c立方結構的C-S-H掃描電子顯微鏡圖像

圖4：排列有序的C-S-H 掃描電子顯微鏡圖像

《混凝土與水泥制品行業“十四五”發展指南》提出了11個基礎科研重點方向,旨在推動混凝土材料的性能和可持續性的提升，通過理論和技術創新解決混凝土領域的挑戰。其中研究方向之一為開發水泥各組分水化熱力學和及其對水泥水化動力學調控機理，建立水泥、外加劑和性能調節型礦物摻合料組分優化設計理論，實現對混凝土工作性、強度發展、抗裂和耐久性等性能的協同優化。

使用“可編程”水泥有助于提高建筑和基礎設施工程的可靠性和可持續性。通過深入研究水泥的動力學行為和采用先進的材料設計方法，我們能夠實現對混凝土微觀結構的精準調控。這種可編程性使得我們能夠優化混凝土的性能，解決混凝土領域一直以來的難題，如裂縫的形成、抗風化性能、以及耐久性等方面的挑戰。

“可編程”水泥的引入意味著我們可以根據具體工程需求調整水泥的成分和結構，以實現更高的抗壓強度、更低的滲透性以及更長久的使用壽命。這種精準的材料設計不僅有助于提高建筑結構的耐久性，還有助于減少對資源的依賴，從而推動混凝土領域向更為可持續的方向發展。

“可編程”水泥的革新性貢獻在于為建筑和基礎設施工程提供了更靈活、可定制的材料選擇。通過實現混凝土性能的定制化，我們能夠更好地適應不同氣候和環境條件，從而減輕維護和修復的成本，提高整體工程的可靠性和可持續性。這一技術創新將推動混凝土領域邁向更加智能、綠色和高效的未來。