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混凝土的形狀與耐久性，主要取決于普通水泥與水混合時開始發生的化學反應。而為了在真實條件下觀察這些反應的進展，麻省理工學院的一支研究團隊，剛剛在《LANGMUIR》期刊上詳細介紹了他們《借助拉曼光譜法對水泥膠體開展基于時空分辨的化學去卷積》的新方案。在此基礎上，新成像技術還有望為減少混凝土的大量碳足跡、以及未來的 3D 打印而開辟新的道路。

混凝土水合的分子尺度觀測 / 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）。

在高時空分辨率的拉曼成像技術的加持下，研究人員有望解答有關水泥化學持續數千年的歷史遺留問題，并且有助于他們找到讓混凝土更具可持續性的方法。

研究合著者，MIT 混凝土可持續發展中心的教職人員、兼該校土木與環境工程教授 Franz-Josef Ulm 表示，這項研究可謂是“混凝土科學領域的盧米埃爾兄弟時刻”。

盧米埃爾兄弟用攝像機拍下了世界上第一部黑白電影。而 MIT 的這項新研究，為我們帶來了研究早期水泥水合過程的精彩一瞥（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，占據了全球二氧化碳排放總量的 8% 左右，已經與大多數國家產生的排放量不相上下。土木與建筑學副教授 Admir Masic 解釋稱：“隨著對水泥化學性質的深入了解，科學家們就能夠改進生產流程或配方成分，從而讓混凝土產生更少的排放，或者添加其它能夠主動吸收二氧化碳的成分”。

作為 Black Buffalo 3D 公司的一位材料科學家，Masic 實驗室研究生 Hyun-Chae Chad Loh 的補充道：混凝土 3D 打印等下一代技術，也有望從這項成像技術的新成果中受益。

SCI Tech Daily 指出，他也是發表在 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 。原標題為《Time-Space-Resolved Chemical Deconvolution of Cementitious Colloidal Systems Using Raman Spectroscopy》。

為達成這一目標，Loh 及其同事使用了一種被稱作“拉曼顯微光譜”的技術，來仔細觀察混凝土在水合期間發生的特定化學反應的動態過程。

拉曼光譜需要將高強度激光照射到材料上，并測量其被構成材料的分子散射時的強度和波長，來創建出一幅特殊的圖像。由于不同的分子和分子鍵，都具有各自獨特的散射“指紋”，因而這項技術也可用于制作有關創建材料內部分子結構和動態化學反應的圖像。

此前這項技術常被用于表征生物和考古領域的材料研究，正如 Masic 曾對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 科學家們使用這套裝置觀察了一個放置在水下的普通混凝土樣品。期間努力模擬了真實世界的環境條件，且并未干擾、或人為地停止其水化過程。該團隊總結道：通常情況下，混凝土的水合過程，是從一種被稱作硅酸鹽的水合產物的無序相開始的，之后它會滲透到整個材料并產生結晶。

此前，科學家們只能研究具有平均體積特征、或某個時間節點的混凝土水合快照。但在新技術的加持下，他們得以幾乎連續地觀察所有變化，并提升了他們的時間和空間尺度上的圖像分辨率。