建材的历史与未来

Photo from gtimg

从人类学会制造和使用工具开始，就在不断地掌握新技术、创造新材料。在建造住房方面人类又是如何运用智慧创造技术和材料的呢？在今天这个历史上技术进步最迅速的时代下，建材的下一步将会给我们带来哪些惊喜呢？让我们来看看建材的“昨天、今天和明天”。

在第一批氏族（旧石器时代）的生命中，原始人类放弃了他们的洞穴来探索世界。因此，第一个临时房屋出现，一个使用树枝、皮和小木头制成的避难所或小屋。可别小看这种最简单的大自然材料，它们在房屋建造史上被使用了超过50万年，相比现代的钢筋混凝土的使用历史，整整超出5000倍。

Drawing of the Terra Amata hut (close to Nice, France), 

towards 500,000 B.C. Source: José-Manuel Benito.

接下来，在公元前6000年左右，泥土和黏土开始接管我们现在称之为中东的地带。当时人们采用的是用黏土和秸秆类混合而成的未经烘烤的砖块形材料。这样就可以建造出更复杂的结构和更好隔热的房屋了。

Ziggurat of Ur, dated at between 5,000 and 4,500 B.C. 

Photo from 2006. Source:Wikipedia

当时的文明已经开始形成大型建筑。Ur的Ziggurat（见上图）就是一个例子，其中使用了用于地基的岩石，用于内部的粘土和用于外墙的烤砖的组合，还有沥青砂浆、芦苇，以及竹子和绳索的脚手架。

Baked bricks with symbols from the Legio XXII Primigenia (22nd fortunate legion). Source: Harmann Linge.

此后直到罗马帝国的衰落，都是以岩石（花岗岩，砂岩，大理石）来用于官方建筑物，而烘烤的砖块和带有铁钉的木材用于居民房屋。

到了19世纪，钢铁的生产和城市的发展导致建筑开始变为用混凝土和金属梁加固的房屋。直到今天，我们继续使用这种技术和非常相似的材料用于我们的普通建筑。而且，我们认为这些仍将是未来重要的建筑材料之一。

建筑材料可能的未来

从发现弹性定律的那一刻起，材料一直是一个难点。直到近年来，纳米技术才使我们对事物的了解深入到了原子的核心，这样我们不仅可以设想材料，而且可以将材料的形状设想为材料的重要组成部分。

建筑物高度可能翻倍——碳纤维绳索使摩天大楼的高度翻倍

首先，从建筑物的高度受限角度。超高层建筑物高度的一个主要威慑力是电梯技术 - 在一定高度，向上拉电梯所需的钢丝绳变得太重，导致电梯所能到达的高度受到限制。Kone（隶属于芬兰公司Gizmodo）之前写过的，它开发了一种替代方案：碳纤维制成的绳子——重量减轻了90％，可以支撑电梯高达当前限制的两倍。它被称为UltraRope，它可以牵引高达一公里的电梯。它还将改变电梯的维修方式，因为它的使用寿命是标准钢绳的两倍。

石墨烯结构示意图

墙壁可以更轻、更强、更隔热，还更省材料——3D打印的石墨烯

有一段时间，石墨烯被认为是地球上最强的人造材料之一。然而，石墨烯以片状或薄片形式出现，这使得其在建筑中的使用相当复杂。

2017年初，麻省理工学院的一组工程师发表了一篇文章，提出了一种三维结构，如果用石墨烯制造，其重量将是钢的5％，但强度要高10倍。这种结构是空洞的和多孔的，将建筑材料的使用减少到最低限度。使用诸如石墨烯和类似有机形状的材料，可以构建普通的墙壁，而其两层片状的墙壁中可以增加气垫，以达到隔热隔冷的优点。

生物混凝土。Photo from giatecscientific

墙壁也能“自我修复”——生物混凝土，也称为“自愈性混凝土”

2015年，微生物学家Hendrick M. Jonkers展示了一种具有在一定程度上自我修复能力的混凝土。换句话说，不再有裂缝和修复，不再有泄漏，不需要防潮，也不会因裂缝造成更多的能量损失。

这种混凝土具有从内部修复材料的细菌，其方式与人体组织在骨折后自愈相类似。细菌在材料内保持休眠状态，直到裂缝进入潮湿的环境（水，生命的灵丹妙药），细菌才会起作用，通过繁殖达到修复裂缝的效果（见上图）。

更环保的建材——碳捕获混凝土

加州大学洛杉矶分校的研究人员已经开发出了一些他们巧妙地称为CO2NCRETE的东西。他们成功地通过混合石灰和发电厂烟囱排放的二氧化碳，制作了三维水泥状物质。这只是混凝土行业如何捕获对环境有害的二氧化碳排放用于建筑材料的一个例子。CarbonCure，Calera和Novacem是一些在这方面做出显着创新工作的公司。

除此之外，建材内部还可以暗藏玄机：

是建材，也是触摸屏——一种扭转霍尔效应的超材料

可以扭转霍尔效应的创新超材料，photo from ferrovial

在2017年初，一群科学家提出了一种创新的超材料，可以扭转霍尔效应：如果电流在磁场中流过导体，则磁场在移动的电荷载体上施加横向力，这倾向于将它们推向导体的一侧。虽然这些材料的第一个实际应用将更多地面向电子设备，但它们也可以通过在建筑物墙壁内集成隐形电子轨道或电子轨道（或电子）来用于建筑。也就是说，家庭自动化和连接将很快从有形（移动，PC，屏幕）转变为无形和无处不在，墙壁、镜子、柜子都将可能成为触摸屏。

是建材，也是电池——完全隐形的太阳能电池

如果您曾经坐在窗户上有光伏电池板的房间内，您就会发现很容易识别出细胞的闪烁彩虹色。密歇根州立大学的研究人员已开发出一种完全不同类型的“太阳能聚光器”，可以在任何窗户上。这些东西充分利用了不可见光的波长 - 紫外线和近红外线 - 将它们推向嵌入在面板边缘的太阳能电池中成为能源。结果是一种材料可以在任何实际情况下从太阳光中产生能量 - 例如，在小工具的屏幕中 - 也可以在窗户和门中。

是建材，还可以是这样的电池——超声波电池

我们知道声音可以传递能量，但是一家名为uBeam的新公司希望将该技术转变为建筑产品。以下是它的工作原理：变压器取电并将其转换为超声波。无线设备上的接收器捕获该音频并将其恢复为能量。您可以在家中走动时为任何设备充电。目前，uBeam专注于将其技术应用于壁纸或艺术品，但很容易想象，最终这些发射器可以嵌入各种材料和场所 - 一个环绕整个建筑物的超声波网络。

“玻璃”可以用木头代替

透明木——透明木材有可能取代窗户，太阳能电池板和其他地方的玻璃。这提供了一种有前途的替代方案，不易受到裂缝，破碎的影响。创造未来的这种材料涉及化学剥离木质板的一种叫做木质素的化合物。木质素有助于木材的强度和刚性，并赋予其颜色。在制造透明木材时，在去除木质素以重新强化材料并使光更好地通过之后，引入了一种称为聚甲基丙烯酸甲酯的无色聚合物。

竹子也能让家更坚固——可以耐受钢和混凝土的竹子

竹子价格便宜，生长速度快，而且强度惊人。这就是为什么正在研究如何在建筑中使用它时获得“更多的帮助”。麻省理工学院的一个团队在Lorna Gibson教授的带领下，正在测试竹子如何以及为何结构如此先进。他们发现竹竿边缘的材料实际上比中间的东西更密集和更坚固 - 他们设想用它来制造二级建筑材料，如胶合板，以使房屋和建筑物更坚固，更便宜，更环保。

造房子如同搭乐高

乐高是预制建筑的一个非常出色的解决方案。它们不仅可以快速拼接在一起而且无废弃物，乐高砖块上的孔可以为布线，管道甚至结构加固提供额外的空间。这就是为什么一家名为Kite Bricks的公司希望将乐高用作真实世界建筑材料Smart Bricks的基础。就像玩具一样，这些混凝土模压砖与一层砂浆状粘合剂“搭扣”在一起，但“孔”实际上可以用钢筋螺纹连接，以进行额外的结构加固。并且可以移除每个砖块的一侧，以便您可以访问存储在其中的服务。

未来不是一成不变的。随着材料工程的进步速度不断加快，很可能所有这些技术都将在很短的时间内完善。或者甚至已成为过时。此外，由于材料使用的高度专业化，即使在最小的建筑项目中也可能使用大量不同的材料，每个材料旨在解决特定问题。

未来已来，我们与友绿网一起拭目以待！

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