近日，澳门科技大学创新工程学院工程科学系李云健助理教授团队在绿色低碳建筑材料领域取得重要进展。研究团队提出了一种高通量原子建模框架，系统解析了新型环保水泥核心水化产物——水化矽铝酸钙（C-A-S-H）的微观结构与力学机制。相关成果以题为“High-throughput atomistic modeling of nanocrystalline structure and mechanics of calcium aluminate silicate hydrate”的论文，发表在国际顶尖学术期刊《Nature Communications》（影响因数为15.7）
水泥作为全球使用量最大的建筑材料，是现代城市基础设施建设的核心支柱。然而，传统水泥工业也是全球温室气体排放的主要来源之一，约占全球二氧化碳排放总量的 7%。在「双碳」背景下，提升水泥基材料的可持续性已成为国际前沿研究的重要方向。近年来，富含铝元素的新型胶凝材料因其在二氧化碳固存、有害物质封闭等方面展现出显著潜力，受到广泛关注。其中，水化矽铝酸钙（C-A-S-H）是这类材料的主要水化产物，其性能直接影响绿色水泥的长期耐久性与结构稳定性。然而，由于其化学组成复杂、结构高度无序，长期以来缺乏可准确反映实验特征的原子结构模型，制约了绿色水泥配方的设计与调控。
针对这一难题，李云健助理教授团队自主开发了用于自动化构建C-A-S-H结构自动生成程式CASHgen，可高效构建含不同钙矽比和铝矽比的 C-A-S-H 原子结构模型，并在平均链长、水矽比、层间距、密度、原子键长及配位元结构等特性上验证与实验一致。团队利用分子动力学方法实现了在广泛的钙矽比（1.3–1.9）和铝矽比（0–0.15）下，C-A-S-H的纳米尺度结构与力学特性精准预测，从原子尺度揭示了其组成–结构–性能之间的关联规律。研究表明：C-A-S-H 的结构密度、层间距与弹性模量等关键性能参数与链长、Ca-OH/Ca、Ca/Si 与 Al/Si 密切相关。其中，当钙矽比接近 1.5 时，C-A-S-H 具有最佳力学性能；过高的钙含量会引起矽链结构断裂、刚度下降；而铝元素的掺入则有助于增强矽链聚合，延长链平均长度，从而提升材料刚度和稳定性。
该项研究为 C-A-S-H 原子建模提供了高效可靠的方法，填补了绿色水泥材料原子尺度性能研究的关键空白。研究成果不仅深化了对水泥水化产物微观机制的理解，也为建立水泥材料基因组资料库、实现绿色可持续建筑材料的“原子级”设计与优化奠定了基础。
C-A-S-H结构自动化生成流程图
C-A-S-H结构力学性能变化规律及与结构特征的关联
本论文的第一作者及通讯作者为澳科大李云健助理教授，第二作者为澳科大在读硕士生陈骋。澳科大李宗津讲座教授和澳门大学李振宁助理教授参与了该研究的讨论并提供指导。该工作得到了澳门科学技术发展基金（Grants No. 0074/2023/RIB3，Grants No. 0139/2024/RIB2）和澳门科技大学研究基金（Grant No. FRG-24-085-FIE）的共同支持。展示了澳科大在智慧绿色建筑材料与应用物理、计算化学交叉领域的原创能力与国际影响力。
