p O concreto nos deu o Panteão de Roma, a Sydney Opera House, a Represa Hoover e inúmeros monólitos em blocos. A rocha artificial cobre nossas cidades e estradas, está subjacente a parques eólicos e conjuntos de painéis solares - e será despejado por tonelada em projetos de infraestrutura apoiados por investimentos de recuperação da COVID nos Estados Unidos e no exterior. p Isso tem um custo altíssimo para os esforços de combate às mudanças climáticas, Contudo, porque cimento - o elemento de ligação que é misturado com areia, cascalho e água para fazer concreto - está entre os maiores contribuintes industriais para o aquecimento global.

p "O concreto é onipresente porque é um dos materiais de construção mais acessíveis, é facilmente manipulado e pode ser moldado em praticamente qualquer forma, "disse Tiziana Vanorio, professor associado de geofísica na Universidade de Stanford.

p Mas a produção de cimento libera até 8 por cento das emissões anuais de dióxido de carbono relacionadas à atividade humana, e espera-se que a demanda aumente nas próximas décadas, à medida que a urbanização e o desenvolvimento econômico impulsionam a construção de novos edifícios e infraestrutura. “Se vamos reduzir as emissões de carbono aos níveis necessários para evitar uma mudança climática catastrófica, precisamos mudar a forma como fazemos cimento, "Vanorio disse.

p CO do concreto ₂ o problema começa com o calcário, uma rocha feita principalmente de carbonato de cálcio. Para fazer o cimento Portland - o principal ingrediente pastoso do concreto moderno - o calcário é extraído, triturado e cozido em fogo alto com argila e pequenas quantidades de outros materiais em fornos gigantes. A geração desse calor geralmente envolve a queima de carvão ou outros combustíveis fósseis, responsável por mais de um terço das emissões de carbono associadas ao concreto.

p O calor desencadeia uma reação química que produz pedaços cinzentos do tamanho de uma bola de gude, conhecidos como clínquer, que são então triturados no pó fino que reconhecemos como cimento. A reação também libera carbono que poderia permanecer preso no calcário por centenas de milhões de anos. Esta etapa contribui com a maior parte do CO restante ₂ emissões da produção de concreto.

p Com financiamento da Strategic Energy Alliance no Precourt Institute for Energy de Stanford, Vanorio e colegas de Stanford estão agora fazendo um protótipo de cimento que elimina o CO ₂ - reação química de brotamento, fazendo clínquer com uma rocha vulcânica que contém todos os blocos de construção necessários, mas nenhum carbono.

p Imitando a natureza

p Como o material de construção mais usado no planeta, o concreto sempre foi um alvo para reinvenção. Pesquisadores e empresas encontraram inspiração para novas receitas em recifes de coral, cascas de lagosta e os porretes de camarão mantis em forma de martelo. Outros estão substituindo parcialmente o clínquer por resíduos industriais como cinzas volantes de usinas de carvão ou injetando dióxido de carbono capturado na mistura como uma forma de diminuir o impacto do concreto no clima. O presidente Joe Biden pediu a expansão da captura de carbono e o uso de hidrogênio combustível na fabricação de cimento para ajudar a reduzir pela metade as emissões de gases de efeito estufa dos EUA em relação aos níveis de 2005 até 2030.

p Vanorio propõe eliminar totalmente o calcário e começar com uma rocha que poderia ser extraída em muitas regiões vulcânicas ao redor do mundo. "Podemos levar esta pedra, moer e aquecer para produzir clínquer usando o mesmo equipamento e infraestrutura atualmente usados ​​para fazer clínquer a partir de calcário, "disse Vanorio.

p A água quente misturada com este clínquer de baixo teor de carbono não só o transforma em cimento, mas também promove o crescimento de longos, cadeias entrelaçadas de moléculas que parecem fibras emaranhadas quando vistas ao microscópio. Estruturas semelhantes existem em rochas naturalmente cimentadas em ambientes hidrotermais - lugares onde a água escaldante circula logo abaixo do solo - e em portos romanos de concreto, que sobreviveram 2, 000 anos de ataque de água salgada corrosiva e ondas agitadas onde o concreto moderno normalmente desmoronaria em décadas.

p Como o vergalhão comumente usado em estruturas de concreto modernas para evitar rachaduras, essas minúsculas fibras minerais combatem a fragilidade usual do material. “O concreto não gosta de ser esticado. Sem algum tipo de reforço, ele vai quebrar antes de dobrar sob o estresse, "disse Vanorio, autor sênior de artigos recentes sobre microestruturas no concreto marinho romano e sobre o papel da física das rochas na transição para um futuro de baixo carbono. A maior parte do concreto agora é reforçada em larga escala com aço. "Nossa ideia é reforçá-lo em nanoescala, aprendendo como as microestruturas fibrosas efetivamente reforçam as rochas, e as condições naturais que os produzem, " ela disse.

p Lições de cura e resiliência

p O processo que Vanorio prevê para transformar uma rocha vulcânica em concreto se assemelha à maneira como as rochas se cimentam em ambientes hidrotérmicos. Frequentemente encontrado em torno de vulcões e acima dos limites ativos das placas tectônicas, as condições hidrotermais permitem que as rochas reajam e se recombinem rapidamente em temperaturas não mais altas do que um forno doméstico, usando água como um solvente poderoso.

p Como a cura da pele, rachaduras e falhas na camada mais externa da Terra se unem ao longo do tempo por meio de reações entre minerais e água quente. "A natureza tem sido uma grande fonte de inspiração para materiais inovadores que imitam a vida biológica, "disse Vanorio." Também podemos nos inspirar nos processos da Terra que permitem a cura e a resiliência aos danos. "

p De tijolos e metal forjado a vidro e plástico, as pessoas há muito tempo fazem materiais usando as mesmas forças que impulsionam o ciclo das rochas da Terra:calor, pressão e água. Numerosos estudos arqueológicos e mineralógicos indicam que os antigos romanos podem ter aprendido a aproveitar a cinza vulcânica para a receita de concreto mais antiga conhecida, observando-a endurecer quando misturada naturalmente com água. “Hoje temos a oportunidade de observar a cimentação com as lentes da tecnologia do século 21 e conhecer os impactos ambientais, "Vanorio disse.

p Em Stanford, ela se associou ao professor de ciência de materiais e engenharia Alberto Salleo para ir além da imitação da geologia para manipular seus processos para resultados específicos e propriedades mecânicas usando engenharia em nanoescala. "Está se tornando cada vez mais aparente que o cimento pode ser projetado em nanoescala e deve ser estudado nessa escala também, "Salleo disse.

p Aproveitando pequenos defeitos

p Muitas das propriedades do cimento dependem de pequenos defeitos e da resistência das ligações entre os diferentes componentes, Salleo disse. As pequenas fibras que crescem e se entrelaçam durante a cimentação de rochas pulverizadas agem como cordas de aperto, transmitindo força. "Gostamos de dizer que os materiais são como as pessoas:são os defeitos que os tornam interessantes, " ele disse.

p Em 2019, uma curiosidade permanente sobre o concreto antigo que ele vira entre as ruínas quando criança, crescendo em Roma, levou Salleo a estender a mão para Vanorio, cuja própria jornada na física das rochas começou depois de experimentar o dinamismo da crosta terrestre durante sua infância em uma cidade portuária napolitana no centro de uma caldeira onde o concreto romano foi projetado pela primeira vez.

p Desde então, Salleo passou a ver o trabalho em um clínquer de baixo carbono inspirado em processos geológicos como uma combinação lógica com os projetos de seu grupo relacionados à sustentabilidade, como células solares de baixo custo baseadas em materiais plásticos e dispositivos eletroquímicos para armazenamento de energia.

p “Pensar em um clínquer de baixo teor de carbono é outra forma de reduzir a quantidade de CO ₂ que enviamos na atmosfera, "disse ele. Mas é apenas o começo." A Terra é um laboratório gigantesco onde os materiais se misturam a altas temperaturas e altas pressões. Quem sabe quantas outras estruturas interessantes e úteis existem por aí? "