澳科大創新工程學院工程科學系李云健團隊在綠色建材原子建模的研究中取得重要進展

近日，澳門科技大學創新工程學院工程科學系李云健助理教授團隊在綠色低碳建築材料領域取得重要進展。研究團隊提出了一種高通量原子建模框架，系統解析了新型環保水泥核心水化產物——水化矽鋁酸鈣（C-A-S-H）的微觀結構與力學機制。相關成果以題為“High-throughput atomistic modeling of nanocrystalline structure and mechanics of calcium aluminate silicate hydrate”的論文，發表在國際頂尖學術期刊《Nature Communications》（影響因數為15.7）

水泥作為全球使用量最大的建築材料，是現代城市基礎設施建設的核心支柱。然而，傳統水泥工業也是全球溫室氣體排放的主要來源之一，約占全球二氧化碳排放總量的 7%。在“雙碳”背景下，提升水泥基材料的可持續性已成為國際前沿研究的重要方向。近年來，富含鋁元素的新型膠凝材料因其在二氧化碳固存、有害物質封閉等方面展現出顯著潛力，受到廣泛關注。其中，水化矽鋁酸鈣（C-A-S-H）是這類材料的主要水化產物，其性能直接影響綠色水泥的長期耐久性與結構穩定性。然而，由於其化學組成複雜、結構高度無序，長期以來缺乏可準確反映實驗特徵的原子結構模型，制約了綠色水泥配方的設計與調控。

針對這一難題，李云健助理教授團隊自主開發了用於自動化構建C-A-S-H結構自動生成程式CASHgen，可高效構建含不同鈣矽比和鋁矽比的 C-A-S-H 原子結構模型，並在平均鏈長、水矽比、層間距、密度、原子鍵長及配位元結構等特性上驗證與實驗一致。團隊利用分子動力學方法實現了在廣泛的鈣矽比（1.3–1.9）和鋁矽比（0–0.15）下，C-A-S-H的納米尺度結構與力學特性精准預測，從原子尺度揭示了其組成–結構–性能之間的關聯規律。研究表明：C-A-S-H 的結構密度、層間距與彈性模量等關鍵性能參數與鏈長、Ca-OH/Ca、Ca/Si 與 Al/Si 密切相關。其中，當鈣矽比接近 1.5 時，C-A-S-H 具有最佳力學性能；過高的鈣含量會引起矽鏈結構斷裂、剛度下降；而鋁元素的摻入則有助於增強矽鏈聚合，延長鏈平均長度，從而提升材料剛度和穩定性。

該項研究為 C-A-S-H 原子建模提供了高效可靠的方法，填補了綠色水泥材料原子尺度性能研究的關鍵空白。研究成果不僅深化了對水泥水化產物微觀機制的理解，也為建立水泥材料基因組資料庫、實現綠色可持續建築材料的“原子級”設計與優化奠定了基礎。

本論文的第一作者及通訊作者為澳門科技大學李云健助理教授，第二作者為澳科大在讀碩士生陈骋。澳門科技大學李宗津講座教授和澳門大學李振宁助理教授參與了該研究的討論並提供指導。該工作得到了澳門科學技術發展基金（Grants No. 0074/2023/RIB3，Grants No. 0139/2024/RIB2）和澳門科技大學研究基金（Grant No. FRG-24-085-FIE）的共同支持。展示了澳門科技大學在智慧綠色建築材料與應用物理、計算化學交叉領域的原創能力與國際影響力。