Betong har gett oss Pantheon i Rom, operahuset i Sydney, Hoover Dam och otaliga blockiga monoliter. Den konstgjorda stenen täcker våra städer och vägar, ligger till grund för vindkraftsparker och solpaneler – och kommer att hällas i massor i infrastrukturprojekt som stöds av investeringar i covid-återvinning i USA och utomlands.

Det kommer till en hög kostnad för insatser för att bekämpa klimatförändringar, dock, eftersom cement – ​​det bindande elementet som är blandat med sand, grus och vatten för att tillverka betong – rankas bland de största industriella bidragsgivarna till den globala uppvärmningen.

"Betong finns överallt eftersom det är ett av de mest prisvärda byggmaterialen, det är lätt att manipulera och kan formas till nästan vilken form som helst, sa Tiziana Vanorio, docent i geofysik vid Stanford University.

Men produktion av cement släpper lös så mycket som 8 procent av de årliga koldioxidutsläppen relaterade till mänsklig aktivitet, och efterfrågan förväntas öka under de kommande decennierna när urbanisering och ekonomisk utveckling driver på byggandet av nya byggnader och infrastruktur. "Om vi ​​ska dra ner koldioxidutsläppen till de nivåer som krävs för att förhindra katastrofala klimatförändringar, vi måste förändra hur vi tillverkar cement, sa Vanorio.

Concretes CO ₂ problemet börjar med kalksten, en sten som huvudsakligen är gjord av kalciumkarbonat. För att göra Portlandcement – ​​den degiga huvudingrediensen i modern betong – bryts kalksten, krossas och bakas på hög värme med lera och små mängder annat material i jätteugnar. Att generera denna värme innebär vanligtvis förbränning av kol eller andra fossila bränslen, står för mer än en tredjedel av koldioxidutsläppen i samband med betong.

Värmen utlöser en kemisk reaktion som ger marmorstora gråa klumpar som kallas klinker, som sedan mals till det fina pulvret vi känner igen som cement. Reaktionen frigör också kol som annars skulle kunna förbli låst i kalksten i hundratals miljoner år. Detta steg bidrar med det mesta av den återstående CO ₂ utsläpp från betongproduktion.

Med finansiering från Strategic Energy Alliance vid Stanfords Precourt Institute for Energy, Vanorio och kollegor på Stanford tillverkar nu prototyper av cement som eliminerar CO ₂ -rapa kemisk reaktion genom att göra klinker med en vulkanisk sten som innehåller alla nödvändiga byggstenar, men inget av kolet.

Härmar naturen

Som det mest använda byggnadsmaterialet på planeten, betong har länge varit ett mål för återuppfinnande. Forskare och företag har hittat inspiration till nya recept i korallrev, hummerskal och de hammarliknande klubborna av mantisräkor. Andra ersätter delvis klinker med industriavfall som flygaska från kolanläggningar eller injicerar infångad koldioxid i blandningen som ett sätt att krympa betongens klimatpåverkan. President Joe Biden har krävt en utökad kolavskiljning och användningen av vätebränsle vid cementtillverkning för att hjälpa till att halvera de amerikanska utsläppen av växthusgaser från 2005 års nivåer till 2030.

Vanorio föreslår att man helt och hållet ska avskaffa kalksten och istället börja med en sten som skulle kunna brytas i många vulkaniska regioner runt om i världen. "Vi kan ta den här stenen, mala den och sedan värma den för att producera klinker med samma utrustning och infrastruktur som för närvarande används för att göra klinker av kalksten, sa Vanorio.

Varmvatten blandat med denna lågkolhaltiga klinker förvandlar den inte bara till cement utan främjar också tillväxten av långa, sammanflätade kedjor av molekyler som ser ut som trassliga fibrer när de ses i mikroskop. Liknande strukturer finns i stenar som är naturligt cementerade i hydrotermiska miljöer – platser där skållning hett vatten cirkulerar precis under marken – och i romerska betonghamnar, som har överlevt 2, 000 år av angrepp från frätande saltvatten och slagande vågor där modern betong vanligtvis skulle falla sönder inom decennier.

Liksom armeringsjärnet som vanligtvis används i moderna betongkonstruktioner för att förhindra sprickbildning, dessa små mineralfibrer bekämpar materialets vanliga sprödhet. "Betong gillar inte att sträckas ut. Utan någon form av förstärkning, det kommer att gå sönder innan det böjer sig under stress, sade Vanorio, senior författare till nya artiklar om mikrostrukturer i romersk marin betong och om bergfysikens roll i övergången till en framtid med låga koldioxidutsläpp. Det mesta av betong är nu förstärkt i stor skala med stål. "Vår idé är att förstärka den i nanoskala genom att lära sig hur fibrösa mikrostrukturer effektivt förstärker stenar, och de naturliga förhållanden som producerar dem, " Hon sa.

Lektioner i healing och resiliens

Processen som Vanorio föreställer sig för att omvandla en vulkanisk sten till betong liknar hur bergarter cementerar i hydrotermiska miljöer. Hittas ofta runt vulkaner och ovanför aktiva tektoniska plattgränser, hydrotermiska förhållanden tillåter stenar att snabbt reagera och rekombinera vid temperaturer som inte är varmare än en hemmaugn, använda vatten som ett kraftfullt lösningsmedel.

Som helande hud, sprickor och förkastningar i jordens yttersta lager cementerar samman över tid genom reaktioner mellan mineraler och varmvatten. "Naturen har varit en stor inspirationskälla för innovativa material som efterliknar biologiskt liv, ", sa Vanorio. "Vi kan också hämta inspiration från jordprocesser som möjliggör läkning och skada motståndskraft."

Från tegel och smidd metall till glas och plast, människor har länge tillverkat material med samma krafter som driver jordens stencykel:värme, tryck och vatten. Många arkeologiska och mineralogiska studier tyder på att antika romare kan ha lärt sig att utnyttja vulkanaska för det tidigaste kända betongreceptet genom att se den hårdna när den blandas naturligt med vatten. "Idag har vi möjlighet att observera cementering med linsen av 2000-talets teknik och kunskap om miljöpåverkan, sa Vanorio.

På Stanford, hon har slagit sig ihop med materialvetenskap och ingenjörsprofessor Alberto Salleo för att gå längre än att imitera geologi till att manipulera dess processer för specifika resultat och mekaniska egenskaper med hjälp av nanoskalateknik. "Det blir mer och mer uppenbart att cement kan konstrueras i nanoskala och bör studeras i den skala också, sa Salleo.

Utnyttja små defekter

Många av cementens egenskaper beror på små defekter och på styrkan i bindningarna mellan de olika komponenterna, sa Salleo. De små fibrerna som växer och vävs samman under cementeringen av pulveriserade stenar fungerar som spännlinor, ge styrka. "Vi gillar att säga att material är som människor:det är defekterna i dem som gör dem intressanta, " han sa.

År 2019 fick en bestående nyfikenhet på den antika betong han sett bland ruiner som barn när han växte upp i Rom Salleo att nå ut till Vanorio, vars egen resa in i bergets fysik började efter att ha upplevt dynamiken i jordskorpan under sin barndom i en napolitansk hamnstad i mitten av en kaldera där romersk betong först konstruerades.

Sedan dess, Salleo har kommit för att se arbetet med en koldioxidsnål klinker inspirerad av geologiska processer som en logisk passform med hans grupps projekt relaterade till hållbarhet, som lågkostnadssolceller baserade på plastmaterial och elektrokemiska apparater för energilagring.

"Att tänka på en klinker med låg kolhalt är ett annat sätt att minska mängden CO ₂ som vi skickar ut i atmosfären, " sa han. Men det är bara början. "Jorden är ett gigantiskt laboratorium där material blandas vid höga temperaturer och höga tryck. Vem vet hur många andra intressanta och i slutändan användbara strukturer som finns där ute?"