建築の世界は、ある化学反応によって支配されている。それは、水と砂利とセメントを加えたときの反応である。これによって生まれるコンクリートを、現代の建築物のほとんどが使っている。コンクリートは超高層ビルを支え、橋を形成し、ダムを築きあげる。

その一方でコンクリートは、二酸化炭素の大きな排出源のひとつでもある。米国のセメント産業は、米国内の二酸化炭素排出量の約3.5パーセントに関係している（PDF）。世界全体で見れば、総排出量の約5パーセントにセメント産業が関係しているとされる。

つまり、コンクリートを練り混ぜる施設は、煙がたなびく石油精製所や渋滞するフリーウェイのような「環境を損ねそうな印象」こそないかもしれないが、将来のために革新が求められる時期に来ている。たとえばコンクリートの強度を高めて、その使用量を減らすといった革新だ。

セメントは粉末だが、水を加えると化学反応によってペースト状になり、やがて固まる。こうしたセメントの分子構造に、ある“欠陥”をもたせると、強度が高まる可能性があるという研究結果がこのほど発表された。

テキサス州ヒューストンにあるライス大学で材料科学を研究しているルズベー・シャハサヴァリは、「最初に頭に浮かぶのは、欠陥は材料にとってよくないものである、という考えです」と述べる。しかし、同氏がふたりの研究者と共同で『Applied Materials and Interfaces』誌に2016年12月23日付けで発表した研究成果（大学リリースはこちら）により、コンクリートに関してはこの考えが通用しないことがわかった。

研究チームは、セメントを非常に強くする物質について手がかりを探すことから始めた。そのひとつが、古代ローマで使われた「ローマン・コンクリート」である。現代のコンクリートとは組成が異なるため、2000年以上経ったいまも強度が保たれているとされている［日本語版記事］。研究チームは最新の顕微鏡検査技術を利用して、ローマン・コンクリートに含まれているトバモライトと呼ばれる結晶を調べた。トバモライトは極めて緻密な結晶構造で、非常に安定した物質でもある。自然界でも生成されるものだが、非常に特殊な条件下で何万年もの長い年月をかけてつくられる。

顕微鏡検査の結果、研究チームはトバモライトに「螺旋転位」と呼ばれるねじれた結晶の欠陥（格子欠陥）があることに気づいた。これに興味をそそられたシャハサヴァリは、この欠陥が多く含まれるトバモライトについて、コンピューターモデルでの研究を始めた。

「これらは、変数などの変更だけで操作できるようなモデルではありません」とシャハサヴァリは説明する。非常に複雑で正確な予想ができない気象モデルとは異なり、このような化学反応モデルでは量子計算を用いる。個々の分子間の特定の相互作用を求める必要があるからだ。研究チームがトバモライトのモデルに圧力をかけるシミュレーションを行ったところ、ねじれた欠陥によって圧力が結晶の端に分散され、一般的なコンクリートのように圧力が吸収されて亀裂が入ることはなかった。さらに驚くことに、この欠陥は隣接する分子に広がり、材料の柔軟性まで増したのである。

コンクリートは強度が高く硬い反面、クモの巣状の亀裂が入ることでも知られている。「強さと硬さの2つの要素は相反することが多いのです」とシャハサヴァリは説明する。だが、この螺旋転位を最適化することによって、同氏は強度を2倍にしたコンクリートをつくれると考えている。

一般的にコンクリートを練り混ぜる工程では、必ず何らかの欠陥が発生する。その工程自体が乱雑であることも一因だが、混合物に余計な物質が混ざりやすいことも影響している。セメントの主成分は、カルシウムと二酸化ケイ素とアルミニウムである。そこに水を加える前に、ナトリウムやマグネシウム、鉄など特定の不純物を一定の割合で加えると、螺旋転位のような欠陥を意図的に増やせる可能性がある。そこでシャハサヴァリは、さまざまな不純物を調べるつもりだ。

また、プレキャストコンクリート（工場で製造してから現場に出荷される巨大な板状の部材）製造のような管理された状況では、周囲の温度を変えてコンクリートの生成工程に干渉することで、適切な欠陥を起こせるとも考えられている。なお、従来のようにトラックを使ってコンクリートを配送し、さまざまな天候下の現場で混ぜて流し込むような方法では、適切な欠陥は起こせないという。

さらに、セメント混合物の中身についても精査する必要がありそうだ。そもそもセメントについて、標準化された化学的な定義は存在しない。カルシウムとナトリウムの比率を変えることで、最終的な混合物の特性が決められている。この点、トバモライトのカルシウムとナトリウムの比率は1対1であるため、螺旋転位の基本的な挙動の特定や、ほかのセメント組成への適用が容易だ。

これらの研究がすべて完了し、シャハサヴァリがつくった驚異の調合済みセメントがホームセンターの店先に並ぶには、まだ数年かかるかもしれない。仮にそうなったとしても、北カリフォルニアのベイブリッジで通勤する人々に脅威を与えているコンクリートの腐食などの問題は、解決されないだろう。

「それは耐久性の問題です。望ましくない化学物質が、微細な穴からセメントに浸み込むためです」とシャハサヴァリは説明する。

「ただし、強度の高いコンクリートができれば表面積が半分になり、水にさらされる面積が少なくなるので、損傷を受ける可能性も半減します」。これはより強力な材料にとって追い風になる、実に強力な主張といえるだろう。