混凝土的形狀與耐久性，主要取決于普通水泥與水混合時(shí)開(kāi)始發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。而為了在真實(shí)條件下觀察這些反應(yīng)的進(jìn)展，麻省理工學(xué)院的一支研究團(tuán)隊(duì)，剛剛在《LANGMUIR》期刊上詳細(xì)介紹了他們《借助拉曼光譜法對(duì)水泥膠體開(kāi)展基于時(shí)空分辨的化學(xué)去卷積》的新方案。在此基礎(chǔ)上，新成像技術(shù)還有望為減少混凝土的大量碳足跡、以及未來(lái)的 3D 打印而開(kāi)辟新的道路。

混凝土水合的分子尺度觀測(cè) / 可視化（圖自：MIT）

如上圖所示，水合作用期間，白色的硅酸三鈣（alite）形成了藍(lán)色的水合硅酸鈣（CSH）與紅色的硅酸鹽（portlandite）。剩余綠色部分為二鈣硅酸鹽（belite），而黃色部分則是方解石（calcite）。

在高時(shí)空分辨率的拉曼成像技術(shù)的加持下，研究人員有望解答有關(guān)水泥化學(xué)持續(xù)數(shù)千年的歷史遺留問(wèn)題，并且有助于他們找到讓混凝土更具可持續(xù)性的方法。

研究合著者，MIT 混凝土可持續(xù)發(fā)展中心的教職人員、兼該校土木與環(huán)境工程教授 Franz-Josef Ulm 表示，這項(xiàng)研究可謂是“混凝土科學(xué)領(lǐng)域的盧米埃爾兄弟時(shí)刻”。

盧米埃爾兄弟用攝像機(jī)拍下了世界上第一部黑白電影。而 MIT 的這項(xiàng)新研究，為我們帶來(lái)了研究早期水泥水合過(guò)程的精彩一瞥（可與彩色電影的誕生相媲美）。

研究人員指出，混凝土中使用的水泥，占據(jù)了全球二氧化碳排放總量的 8% 左右，已經(jīng)與大多數(shù)國(guó)家產(chǎn)生的排放量不相上下。土木與建筑學(xué)副教授 Admir Masic 解釋稱：“隨著對(duì)水泥化學(xué)性質(zhì)的深入了解，科學(xué)家們就能夠改進(jìn)生產(chǎn)流程或配方成分，從而讓混凝土產(chǎn)生更少的排放，或者添加其它能夠主動(dòng)吸收二氧化碳的成分”。

作為 Black Buffalo 3D 公司的一位材料科學(xué)家，Masic 實(shí)驗(yàn)室研究生 Hyun-Chae Chad Loh 的補(bǔ)充道：混凝土 3D 打印等下一代技術(shù)，也有望從這項(xiàng)成像技術(shù)的新成果中受益。

SCI Tech Daily 指出，他也是發(fā)表在 ACS Langmuir 期刊上的這篇研究論文的一作，且合著者中包括了 Ulm、Masic、以及博士后 Hee-Jeong Rachel Kim 。原標(biāo)題為《Time-Space-Resolved Chemical Deconvolution of Cementitious Colloidal Systems Using Raman Spectroscopy》。

為達(dá)成這一目標(biāo)，Loh 及其同事使用了一種被稱作“拉曼顯微光譜”的技術(shù)，來(lái)仔細(xì)觀察混凝土在水合期間發(fā)生的特定化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

拉曼光譜需要將高強(qiáng)度激光照射到材料上，并測(cè)量其被構(gòu)成材料的分子散射時(shí)的強(qiáng)度和波長(zhǎng)，來(lái)創(chuàng)建出一幅特殊的圖像。由于不同的分子和分子鍵，都具有各自獨(dú)特的散射“指紋”，因而這項(xiàng)技術(shù)也可用于制作有關(guān)創(chuàng)建材料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)化學(xué)反應(yīng)的圖像。

此前這項(xiàng)技術(shù)常被用于表征生物和考古領(lǐng)域的材料研究，正如 Masic 曾對(duì)珍珠層和其它生物礦化材料、以及古羅馬混凝土的研究中所做的那樣。

研究期間，MIT 科學(xué)家們使用這套裝置觀察了一個(gè)放置在水下的普通混凝土樣品。期間努力模擬了真實(shí)世界的環(huán)境條件，且并未干擾、或人為地停止其水化過(guò)程。該團(tuán)隊(duì)總結(jié)道：通常情況下，混凝土的水合過(guò)程，是從一種被稱作硅酸鹽的水合產(chǎn)物的無(wú)序相開(kāi)始的，之后它會(huì)滲透到整個(gè)材料并產(chǎn)生結(jié)晶。

此前，科學(xué)家們只能研究具有平均體積特征、或某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的混凝土水合快照。但在新技術(shù)的加持下，他們得以幾乎連續(xù)地觀察所有變化，并提升了他們的時(shí)間和空間尺度上的圖像分辨率。