Desde las pirámides de Egipto hasta los edificios icónicos de Roma, el concreto ha simbolizado la resiliencia y la creatividad de la civilización. Sin embargo, hoy en día, este material que soporta la prosperidad social causa hasta el 9% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, planteando desafíos para la construcción sostenible de la humanidad. Recientemente, diseñadores, científicos de materiales e ingenieros de la Universidad de Pensilvania han unido fuerzas para combinar la tecnología de impresión 3D con estructuras fósiles de microalgas, desarrollando un nuevo concreto inyectado con biominerales.

Modelo impreso en 3D con diseño de superficie mínima periódica triple (TPMS). Fuente de la imagen: Universidad de Pensilvania.

Este concreto es ligero en peso, estructuralmente sólido, absorbe hasta un 142% más de dióxido de carbono que el concreto tradicional, utiliza menos cemento y cumple con los objetivos de resistencia a la compresión estándar. Su ingrediente clave es la tierra de diatomeas (DE), un material de relleno común hecho de fósiles microbianos, cuya textura fina, porosa y esponjosa mejora la estabilidad del concreto en la boquilla de la impresora 3D y proporciona un amplio espacio para la captura de dióxido de carbono.

Los resultados de la investigación se publicaron en la revista Advanced Functional Materials, sentando las bases para el desarrollo de materiales de construcción que no solo soporten estructuras, sino que también ayuden a restaurar ecosistemas marinos y capturen carbono del aire. La coautora principal, Shu Yang, directora del Departamento de Ciencia de Materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, señaló que, en general, aumentar el área de superficie o la porosidad reduce la resistencia, pero este nuevo concreto hace lo contrario: la estructura se vuelve más sólida con el tiempo. Después de optimizar la geometría del material, el equipo logró un "aumento adicional del 30% en la tasa de conversión de dióxido de carbono", manteniendo una resistencia a la compresión comparable al concreto ordinario.

El profesor adjunto de Arquitectura de la Escuela de Diseño Weitzman, Masoud Akbarzadeh, coautor principal, dijo que esto abre una nueva lógica estructural, reduciendo casi el 60% de material mientras aún soporta peso. Shu Yang inicialmente no sabía mucho sobre concreto, pero sabía que la reología es crucial para el comportamiento del concreto durante la mezcla e impresión. Se basó en la experiencia de su ex postdoc y primer autor del artículo, Kun-Hao Yu, para convertir el entendimiento en un esquema viable de impresión 3D. El profesor Yu dijo que el concreto es un desafío ideal, que requiere combinar pensamiento químico, físico y de diseño.

Shu Yang se familiarizó con la tierra de diatomeas previamente durante su investigación en el Océano Austral sobre cristales fotónicos naturales y sumideros de carbono; cuando las diatomeas mueren, transportan dióxido de carbono al fondo del mar, ayudando a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se preguntó por las propiedades de absorción de dióxido de carbono de este material natural y pensó en la posibilidad de incorporarlo a materiales de construcción. El equipo de investigación descubrió que la red de poros internos de la DE proporciona vías para la difusión de dióxido de carbono, formando carbonato de calcio durante el proceso de curado, lo que mejora la tasa de absorción de dióxido de carbono y la resistencia mecánica.

Yu lideró el desarrollo de una tinta de concreto imprimible, calibrando las variables de la impresora 3D. Aunque la alta porosidad generalmente obstaculiza la tensión, este material se vuelve más sólido después de absorber dióxido de carbono. Akbarzadeh y su equipo adoptaron superficies mínimas periódicas triples (TPMS), una estructura que maximiza el área de superficie y la rigidez geométrica mientras reduce el uso de material. Utilizaron diseño estático de polígonos para las estructuras de concreto, combinadas con cables de post-tensión para mejorar la estabilidad interna. Después de modelar, los modelos se optimizaron mediante corte digital en rodajas; los componentes impresos ahorraron un 68% de material en comparación con bloques de concreto tradicionales, con una relación área/volumen más del 500% mayor, los cubos TPMS retuvieron el 90% de la resistencia a la compresión de los cubos sólidos, y la absorción de dióxido de carbono por unidad de cemento aumentó un 32%.

Mirando hacia el futuro, el equipo está avanzando en múltiples frentes, incluyendo la expansión a elementos estructurales de tamaño completo, como pisos, fachadas exteriores y placas de carga. Akbarzadeh dijo que están probando componentes grandes con esquemas de refuerzo más complejos, esperando que sean sólidos, eficientes y escalables a edificios. Este concreto también podría aplicarse a infraestructura marina, como arrecifes artificiales, cultivos de ostras o plataformas de coral. El equipo de Shu Yang también está explorando la sinergia de la DE con otras sustancias químicas adhesivas, considerando la posibilidad de eliminar completamente el cemento o usar efluentes de desecho como componentes reactivos. Ella dijo que ver el concreto como algo dinámico (que responde al entorno) abrirá un mundo de nuevas posibilidades.