Desde las pirámides del antiguo Egipto hasta los emblemáticos edificios romanos, el concreto siempre ha simbolizado la resiliencia y la inventiva de la civilización. Sin embargo, hoy en día, este material que sostiene la prosperidad social es responsable de hasta el 9% de las emisiones globales de gases de efecto invernadero, planteando un desafío para la construcción sostenible humana. Recientemente, diseñadores, científicos de materiales e ingenieros de la Universidad de Pensilvania se unieron para combinar la tecnología de impresión 3D con estructuras fósiles de microalgas, desarrollando un nuevo tipo de concreto con inyección de biominerales.

Este concreto es liviano y estructuralmente robusto. En comparación con el concreto tradicional, su capacidad de absorción de dióxido de carbono puede ser hasta un 142% mayor, utiliza menos cemento y cumple con los objetivos estándar de resistencia a la compresión. Su componente clave es la tierra de diatomeas (DE), un material de relleno común hecho de fósiles microbianos. Su textura fina, porosa y esponjosa no solo mejora la estabilidad del concreto en la boquilla de la impresora 3D, sino que también proporciona un amplio espacio para la captura de dióxido de carbono.

Esta investigación, publicada en la revista "Advanced Functional Materials", sienta las bases para el desarrollo de materiales de construcción que puedan tanto soportar edificios como ayudar a restaurar ecosistemas marinos y capturar carbono del aire. Shu Yang, autora principal del estudio y directora del Departamento de Ciencia de Materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, señaló que normalmente aumentar el área superficial o la porosidad reduce la resistencia, pero este nuevo concreto es lo contrario, volviéndose más fuerte con el tiempo. Tras 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 a la del concreto ordinario.

Masoud Akbarzadeh, profesor asociado de arquitectura en la Escuela de Diseño Weitzman y coautor principal, declaró que esto abre una nueva lógica estructural, permitiendo soportar peso mientras se reduce casi un 60% del material. Inicialmente, Shu Yang no conocía mucho sobre el concreto, pero sabía que la reología es crucial para el comportamiento del concreto durante la mezcla y la impresión. Basándose en la experiencia de Kun-Hao Yu, ex investigador postdoctoral y primer autor del artículo, transformó esta comprensión en un esquema viable de impresión 3D. El profesor Yu describió al concreto como un desafío ideal que requiere combinar química, física y pensamiento de diseño.

Shu Yang había trabajado previamente con tierra de diatomeas mientras estudiaba cristales fotónicos naturales y sumideros de carbono en el Océano Austral. Cuando las diatomeas mueren, transportan dióxido de carbono al fondo marino, ayudando a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Le intrigaban las propiedades de este material natural para absorber CO₂ y reflexionó sobre la posibilidad de integrarlo en materiales de construcción. El equipo de investigación descubrió que la red interna de poros de la DE proporciona vías para la difusión del dióxido de carbono, permitiendo la formación de carbonato de calcio durante el proceso de curado, lo que aumenta tanto la tasa de absorción de CO₂ como la resistencia mecánica.

Yu dirigió el desarrollo de una tinta de concreto imprimible y calibró las variables de la impresora 3D. Aunque una alta porosidad suele impedir la transferencia de tensiones, este material se vuelve más fuerte después de absorber dióxido de carbono. Akbarzadeh y su equipo emplearon superficies mínimas triplemente periódicas (TPMS), una estructura que maximiza el área superficial y la rigidez geométrica mientras minimiza el uso de material. Utilizaron estática gráfica poliédrica para diseñar estructuras de concreto, combinándola con cables postensados para mejorar la estabilidad interna. Una vez modelado, el diseño se cortó digitalmente para optimizarlo. Los componentes impresos, tras las pruebas, ahorraron un 68% de material en comparación con los bloques de concreto tradicionales, aumentaron la relación superficie-volumen en más del 500%, los cubos TPMS retuvieron el 90% de la resistencia a la compresión de un cubo macizo y la absorción de CO₂ por unidad de cemento mejoró en un 32%.

De cara al futuro, el equipo está avanzando en varios frentes, incluyendo la ampliación a elementos estructurales de tamaño completo, como pisos, fachadas y losas portantes. Akbarzadeh mencionó que están probando componentes más grandes con esquemas de refuerzo más complejos, con la esperanza de que sean robustos, eficientes y construibles a escala arquitectónica. Este concreto también podría ser adecuado para infraestructuras marinas, como arrecifes artificiales, granjas de ostras o plataformas de coral. El equipo de Shu Yang también está explorando sinergias entre la DE y otros agentes químicos aglutinantes, considerando la posibilidad de eliminar completamente el cemento o utilizar aguas residuales como componente reactivo. Ella expresó que ver el concreto como algo dinámico (que responde al entorno) abrirá un mundo completamente nuevo de posibilidades.