Artikel ini telah ditinjau sesuai dengan proses editorial dan kebijakan Science X. Para editor telah menyoroti atribut-atribut berikut sambil memastikan kredibilitas konten:

Model cetakan 3D dari desain permukaan minimal periodik tripel (TPMS). Kredit: Universitas Pennsylvania

Dari campuran lumpur, jerami, dan gipsum yang digunakan dalam piramida monumental Mesir kuno hingga material canggih yang digunakan insinyur Romawi dalam struktur ikonik seperti Pantheon, beton telah lama melambangkan ketahanan dan kecerdikan peradaban.

Namun, saat ini, beton terjebak dalam paradoks: Material yang memungkinkan masyarakat berkembang justru bertanggung jawab atas hingga 9% emisi gas rumah kaca global. Perubahan iklim, yang secara mendalam berakar pada penggunaan bahan bakar fosil, menghadirkan tantangan eksistensial bagi umat manusia apabila kita ingin membangun struktur yang berkelanjutan yang mendukung kehidupan modern—seperti rumah baru, jalan raya, jembatan, dan lainnya.

Sekarang, para desainer, ilmuwan material, dan insinyur dari Universitas Pennsylvania telah bekerja sama untuk menciptakan beton yang terinfusi biomineral dengan menggabungkan pencetakan 3D dan arsitektur fosil dari ganggang mikroskopis. Beton ini sangat ringan—namun tetap memiliki kekuatan struktural—dan dapat menangkap hingga 142% lebih banyak CO₂ dibandingkan campuran konvensional, sambil menggunakan lebih sedikit semen dan tetap memenuhi target kekuatan tekan standar.

Bahan kunci dalam penelitian ini adalah tanah diatom (DE), suatu material pengisi yang populer yang terbuat dari mikroorganisme fosil. Para peneliti menemukan bahwa tekstur DE yang halus, berpori, dan seperti spons tidak hanya meningkatkan stabilitas beton saat didorong melalui nozzle pencetak 3D, tetapi juga menyediakan banyak situs untuk menjebak karbon dioksida.

Temuan ini, yang dilaporkan dalam Advanced Functional Materials, membuka jalan bagi bahan bangunan yang tidak hanya dapat menopang jembatan dan pencakar langit tetapi juga membantu memulihkan ekosistem laut dan menangkap karbon dari udara.

"Biasanya, jika Anda meningkatkan luas permukaan atau porositas, Anda akan kehilangan kekuatan," kata penulis bersama Shu Yang, Profesor Teknik dan Ilmu Terapan serta Ketua Departemen Ilmu Material di Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan. "Tetapi di sini, justru sebaliknya; struktur menjadi lebih kuat seiring berjalannya waktu."

Dia mencatat bahwa tim tidak hanya mencapai "konversi CO₂ yang lebih tinggi sebesar 30%" ketika geometri material lebih dioptimalkan, tetapi juga melakukannya sambil mempertahankan kekuatan tekan yang sebanding dengan beton biasa. "Ini adalah salah satu momen langka di mana semuanya bekerja lebih baik dan tampak lebih baik," katanya.

"Namun ini bukan hanya tentang estetika atau mengurangi massa," tambah penulis bersama Masoud Akbarzadeh, profesor arsitektur di Weitzman School of Design. "Ini tentang membuka logika struktural baru. Kami dapat mengurangi material hingga hampir 60%, dan tetap mampu menanggung beban, menunjukkan bahwa mungkin untuk melakukan jauh lebih banyak dengan jauh lebih sedikit."

Kenapa beton dan tanah diatom? Yang melihat potensi dalam menerapkan keahlian ilmu materialnya untuk memberikan sifat penangkap karbon pada campuran kerikil, semen, dan air beton.

"Saya tidak tahu banyak ketika kami mulai," katanya, "tetapi saya mengerti bahwa reologi—bagaimana partikel mengalir dan berinteraksi—sangat penting bagi perilaku beton selama pencampuran dan pencetakan."

Untuk menerjemahkan pemahaman itu menjadi formulasi pencetakan 3D yang dapat digunakan, dia memanfaatkan pengalaman peneliti pascadoktoralnya yang juga penulis utama makalah tersebut, Kun-Hao Yu, yang sebelumnya telah bekerja dengan beton dalam konteks rekayasa sipil dan manufaktur aditif.

"Beton tidak seperti bahan cetak konvensional," jelas Yu. "Ia harus mengalir dengan lancar di bawah tekanan, stabil dengan cepat setelah diekstrusi, dan kemudian terus menguat saat mengering." Kompleksitas itu, katanya, menjadikannya tantangan yang ideal untuk menerapkan campuran kimia, fisika, dan pemikiran desain.

Pada saat yang sama, Yang juga telah meninjau kembali tanah diatom, yang sebelumnya dia temui dalam studi tentang kristal fotonik alami dan penyerapan karbon di Samudera Selatan, di mana diatom membantu mengurangi gas rumah kaca dengan membawa CO₂ ke dasar laut saat mereka mati. Diatom—sejenis ganggang mikroskopis kuno—membangun cangkang silika berpori yang rumit, yang selama jutaan tahun telah terakumulasi menjadi DE yang sekarang digunakan dalam segala hal, mulai dari filter kolam hingga aditif tanah.

"Saya tertarik bagaimana material alami ini dapat menyerap CO₂," kata Yang. "Dan saya mulai bertanya-tanya: Bagaimana jika kita bisa mengintegrasikannya langsung ke dalam bahan konstruksi?"

Tim menemukan bahwa jaringan pori internal DE tidak hanya menyediakan jalur bagi karbon dioksida untuk berdifusi ke dalam struktur tetapi juga memungkinkan kalsium karbonat terbentuk selama pengerasan, sehingga meningkatkan baik penyerapan CO₂ maupun kekuatan mekanis.

Yu memimpin pengembangan tinta beton yang dapat dicetak, mengkalibrasi variabel untuk pencetak 3D seperti rasio air-ke-pengikat, ukuran nozzle, dan kecepatan ekstrusi.

"Kami melakukan banyak percobaan," katanya. "Yang paling mengejutkan adalah bahwa meskipun porositas tinggi yang biasanya menjadi penghalang terhadap tekanan, material ini sebenarnya semakin kuat saat menyerap CO₂."

Geometri tersembunyi dari penangkapan karbon

Sementara DE mengoptimalkan material itu sendiri, geometri juga memainkan peran transformasional yang sama pentingnya. Akbarzadeh dan timnya beralih ke permukaan minimal periodik tripel (TPMS)—struktur kompleks secara matematis namun secara alami ditemukan dalam tulang, terumbu karang, dan bintang laut. Bentuk "berkesinambungan" ini, yang tidak memiliki tepi tajam atau retakan, sangat dihargai karena kemampuannya memaksimalkan luas permukaan sambil meminimalkan massa.

"Bentuknya kompleks, tetapi secara alami efisien dalam memaksimalkan luas permukaan dan kekakuan geometri sambil meminimalkan material," jelas Akbarzadeh. "Di alam, bentuk dan fungsi tidak dapat dipisahkan, jadi kami ingin membawa prinsip itu ke dalam pengaturan bahan ini."

Dengan menggunakan statika grafis polieder, suatu metode yang memetakan distribusi gaya melalui geometri, timnya merancang struktur beton yang dapat menopang dirinya sendiri, bahkan dengan overhang yang curam, sambil tetap terbuka dan berpori cukup untuk memaksimalkan paparan CO₂.

Dalam statika grafis, setiap garis dalam diagram bentuk mewakili aliran gaya, memungkinkan tim untuk menyetel bagaimana gaya tekan dan tarik mendistribusikan melalui struktur. Mereka kemudian menggabungkan itu dengan kabel post-tensioning untuk meningkatkan stabilitas internal beton.

Temuan dan pekerjaan di masa depan

Setelah dimodelkan, bentuk-bentuk tersebut dipotong secara digital menjadi lapisan yang dapat dicetak dan dioptimalkan untuk diekstrusi dengan lancar tanpa runtuh, melorot, atau menyumbat nozzle pencetak. Komponen yang dicetak yang dihasilkan diuji di bawah beban dan dikenakan pada lingkungan terkarbonasi, yang menghasilkan struktur yang menggunakan 68% lebih sedikit material dibandingkan blok beton tradisional sambil meningkatkan rasio luas permukaan terhadap volume lebih dari 500%. Selain itu, kubus TPMS mempertahankan 90% dari kekuatan tekan versi padat dan mencapai penyerapan CO₂ 32% lebih tinggi per unit semen.

Ke depan, tim sedang memajukan pekerjaan di berbagai bidang termasuk peningkatan skala untuk elemen struktural berukuran penuh seperti lantai, fasad, dan panel penopang beban.

"Kami sedang menguji komponen yang lebih besar dengan skema penguatan yang lebih kompleks," kata Akbarzadeh, merujuk pada kabel post-tensioning yang terbenam dan geometri penyeimbang gaya yang menjadi spesialisasi labnya. "Kami ingin ini tidak hanya kuat dan efisien, tetapi juga dapat dibangun dalam skala arsitektural."

Arah lain yang difokuskan adalah infrastruktur laut. Karena porositas dan kompatibilitas ekologisnya, beton DE-TPMS mungkin sangat cocok untuk struktur seperti terumbu buatan, tempat tidur tiram, atau platform terumbu. "Kami sangat bersemangat untuk menerapkan ini dalam konteks restorasi," kata Yang. "Luas permukaan yang tinggi membantu organisme laut menempel dan tumbuh, sementara material secara pasif menyerap CO₂ dari air di sekitarnya."

Tim Yang juga sedang menjelajahi bagaimana DE dapat bekerja dengan kimia pengikat lain di luar semen standar industri, seperti sistem berbasis magnesium atau yang diaktifkan alkali. "Kami ingin mendorong ide ini lebih jauh," katanya. "Bagaimana jika kita bisa menghilangkan semen sepenuhnya? Atau menggunakan aliran limbah sebagai komponen reaktif?"

"Saat kami berhenti berpikir tentang beton sebagai sesuatu yang statis dan mulai melihatnya sebagai dinamis—sebagai sesuatu yang bereaksi terhadap lingkungannya—kami membuka seluruh dunia kemungkinan baru," tambahnya.

Informasi lebih lanjut: Kun-Hao Yu et al, 3D Concrete Printing of Triply Periodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage, Advanced Functional Materials (2025). DOI: 10.1002/adfm.202509259. Informasi jurnal: Advanced Functional Materials.