Introduzione alla miscela biominerale
Un gruppo di ingegneri e scienziati dei materiali dell’Università della Pennsylvania ha messo a punto un cemento stampabile in 3D che integra terre diatomacee, ossia il guscio fossile di alghe unicellulari, per ottenere un composto più leggero, resistente e capace di fissare una quota superiore di anidride carbonica. Dietro al progetto si trovano Shu Yang, docente di Materials Science & Engineering, e Masoud Akbarzadeh, architetto e associato presso la Weitzman School of Design, che hanno unito competenze di model‑making computazionale e progettazione strutturale.
Proprietà e ingredienti della miscela
La formula sostituisce fino al 30–40 % del cemento tradizionale con particelle di diatomite, un materiale caratterizzato da un’elevata porosità e da una superficie interna molto sviluppata. Questi vuoti microscopici svolgono due funzioni fondamentali:
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Stabilità durante la stampa: la consistenza spugnosa della diatomite favorisce il rilascio controllato dell’acqua, migliorando la coesione del filamento estruso dalla testina del robot.
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Cattura di CO₂: i pori agiscono da veri e propri “serbatoi” chimici, dove l’anidride carbonica può reagire con gli idrossidi liberati in fase di indurimento, formando carbonato di calcio e intrappolando più gas rispetto a un calcestruzzo convenzionale.
Per massimizzare l’efficacia della sezione interna, il team ha impiegato geometrie ispirate alle triply periodic minimal surfaces (TPMS): strutture a spessore variabile che si trovano in ossa e conchiglie e che offrono un ottimo compromesso tra leggerezza, rigidezza e superficie disponibile per le reazioni chimiche.
Processo di stampa e finitura
Il calcestruzzo viene preparato a temperatura ambiente mediante direct ink writing, una tecnica che spinge il materiale attraverso un ugello montato su un braccio robotico. Al termine della deposizione, il pezzo viene lasciato in cura e quindi sottoposto a un leggero rivestimento di idrossido di calcio, utile ad aumentare ulteriormente la capacità di assorbimento di CO₂. Grazie a questa sequenza di passaggi:
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si riducono gli sprechi, poiché non servono coformatori o supporti rimovibili,
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si ottiene un’operatività continua, senza necessità di cicli di riscaldamento,
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il risultato raggiunge valori di compressione intorno ai 40 MPa e di trazione prossimi ai 3 MPa, paragonabili ai standard edilizi.
Vantaggi ambientali e prestazionali
Rispetto a un calcestruzzo classico, quello arricchito con diatomite presenta:
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Riduzione del contenuto di cemento fino al 60 %, con conseguente calo delle emissioni legate alla produzione del legante.
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Incremento del sequestro di CO₂ quantificato nel 142 % in più, grazie all’effetto combinato di porosità e geometria ottimizzata.
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Miglioramento della durabilità nel tempo: il carbonato di calcio generato all’interno del materiale contribuisce a consolidarne la matrice, riducendo la permeabilità e la possibilità di fessurazioni.
Queste caratteristiche lo rendono adatto a costruzioni leggere, a componenti prefabbricati e a sistemi in cui l’uso delle superfici interne può essere sfruttato per funzioni aggiuntive, come il raffrescamento passivo o l’integrazione di sensori.
Collaborazioni industriali e prospettive di applicazione
Al di là dell’ambito accademico, il progetto sta coinvolgendo partner come supplier di diatomite (per esempio realtà specializzate in minerali industriali) e aziende produttrici di sistemi di stampa 3D su larga scala. L’obiettivo è validare la tecnologia in scenari reali, quali:
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Strutture di supporto temporanee in cantieri sensibili, dove è importante minimizzare l’impronta ambientale;
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Moduli abitativi a basso impatto, pensati per rispondere a emergenze abitative con materiali riciclabili e a bassa emissione netta;
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Elementi architettonici complessi, sfruttando le potenzialità di design offerte dalle superfici minimal periodiche.
Ulteriori linee di sviluppo puntano a integrare nanoparticelle funzionali per conferire al calcestruzzo proprietà antibatteriche o a memoria di forma, aprendo la strada a superfici interattive e intelligenti.
