Un team del Worcester Polytechnic Institute ha sviluppato l’Enzymatic Structural Material, un materiale strutturale che cattura CO2 invece di emetterla. Resistenza, processo produttivo, applicazioni edilizie e prospettive industriali.
Un gruppo di ricerca del Worcester Polytechnic Institute, guidato da Nima Rahbar e Suzanne Scarlata, ha pubblicato sulla rivista Matter a fine 2025 i risultati di uno sviluppo che riguarda direttamente il futuro dei materiali da costruzione: un composito strutturale chiamato Enzymatic Structural Material (ESM), capace di sequestrare anidride carbonica durante la propria formazione e di raggiungere prestazioni meccaniche compatibili con quelle richieste alle malte e ai calcestruzzi di uso residenziale e commerciale. L’articolo, intitolato Durable, high-strength carbon-negative enzymatic structural materials via a capillary suspension technique, descrive una via produttiva alternativa al cemento Portland che opera a temperature ambiente, matura in poche ore e immagazzina carbonio nella propria massa anziché rilasciarlo.
La produzione globale di cemento ha superato i quattro miliardi di tonnellate annue, posizionandolo come la sostanza più impiegata sulla Terra dopo l’acqua. Le emissioni associate alla sua filiera rappresentano circa l’8% del totale antropogenico di anidride carbonica: una quota che, se attribuita a una nazione, collocherebbe l’industria del cemento al terzo posto mondiale dopo Cina e Stati Uniti. Le ragioni di questa intensità emissiva sono note alla letteratura ingegneristica e si ripartiscono fra due voci principali. Da un lato la calcinazione del calcare (CaCO₃ → CaO + CO₂), che produce circa il 60% delle emissioni di processo per ragioni stechiometriche e dunque non eliminabili senza rivedere la chimica del legante; dall’altro la combustione di combustibili fossili nei forni rotanti, necessaria a portare la materia prima oltre i 1.450 °C nella zona di clinkerizzazione, responsabile del restante 40% circa.
Decarbonizzare il cemento è quindi una sfida che l’industria affronta con strategie multiple: clinker a ridotto contenuto di CaO, sostituzione parziale con loppe d’altoforno o ceneri volanti, cementi attivati alcalinamente, cattura e sequestro della CO₂ dei forni. Nessuna di queste strade, presa singolarmente, ha finora prodotto un materiale a saldo netto negativo sulle emissioni durante la propria produzione. ESM si colloca su un binario diverso: rinuncia del tutto alla matrice cementizia e costruisce la sua resistenza meccanica attraverso la precipitazione enzimatica di carbonato di calcio.
L’ESM è il prodotto di un’ingegnerizzazione che attraversa biochimica, scienza dei materiali e tecnologia dei mezzi granulari. La formulazione finale combina tre elementi: una soluzione acquosa contenente ioni calcio e tracce dell’enzima carbonica anidrasi, una matrice solida di sabbia e un’impalcatura interna di hydrochar, ovvero carbone vegetale ottenuto per carbonizzazione idrotermica di biomassa di scarto. La forza coesiva dell’insieme si genera grazie a una tecnica detta capillary suspension, che sfrutta forze interfacciali fra liquido e particelle solide per stabilizzare la geometria interna durante la fase di indurimento.
La carbonica anidrasi è un enzima ubiquitario nelle cellule animali, particolarmente abbondante negli eritrociti del sangue umano dove catalizza l’idratazione reversibile della CO₂ in ioni bicarbonato e protoni, accelerando il trasporto del gas dai tessuti ai polmoni. Lo stesso meccanismo, trasferito in un sistema acquoso ricco di calcio, alimenta una catena di reazioni che termina nella precipitazione di carbonato di calcio cristallino: la stessa fase mineralogica della calcite, già nota all’edilizia perché costituente principale di calcari e marmi.
La velocità con cui l’enzima accelera la reazione è un parametro cruciale. In assenza di catalizzatore biologico, la carbonatazione di una soluzione satura di idrossido di calcio a contatto con l’aria richiederebbe tempi incompatibili con qualsiasi processo industriale; con la carbonica anidrasi, la formazione dei cristalli avviene nell’arco di ore, in condizioni prossime alla temperatura ambiente. Questa caratteristica rende l’enzima una variabile strategica del processo, perché consente di rinunciare ai forni e di abbattere drasticamente l’energia primaria richiesta per ottenere un legame minerale fra le particelle inerti.
Le precedenti generazioni di materiali enzimatici sviluppate dallo stesso gruppo (la cosiddetta ECM, presentata nel 2022) facevano affidamento su un polimero come gelatina e raggiungevano una resistenza a compressione di circa 12 MPa, valore inferiore al minimo richiesto per usi strutturali. Il salto prestazionale dell’ESM dipende dall’introduzione dell’hydrochar come scaffold interno e dall’adozione della sospensione capillare quale meccanismo di coesione. Lo scaffold di hydrochar funge da scheletro idrofobico discontinuo all’interno del granulato di sabbia: le sue particelle, ricche di carbonio e con superficie funzionalizzata, ospitano la nucleazione dei cristalli di calcite e ne stabilizzano la crescita lungo i ponti capillari fra grani adiacenti.
La fisica del fenomeno richiama il principio del castello di sabbia: il legame fra particelle resta fragile quando il ponte di liquido è isolato, ma diventa robusto se la fase liquida si distribuisce in una rete continua, capillarmente confinata, all’interno della quale può precipitare un agente cementante. Una volta che la calcite ha riempito i ponti, l’acqua evapora e ciò che rimane è un solido continuo, privo di pori macroscopici e capace di sopportare carichi.
I provini di ESM testati dal gruppo di Worcester hanno raggiunto una resistenza a compressione di 25,8 MPa, un valore che supera la soglia minima dei 25 MPa richiesta dagli standard nordamericani per i calcestruzzi strutturali ordinari di edilizia residenziale e commerciale leggera. Il dato pone l’ESM allo stesso livello di una malta cementizia di classe media, con un margine ancora distante dai 50-80 MPa tipici dei calcestruzzi ad alta resistenza usati per strutture portanti di edifici alti, opere d’arte stradali o elementi precompressi.
Un secondo parametro rilevante è la stabilità in presenza di acqua. Una delle critiche storicamente rivolte ai materiali biocementati è la sensibilità all’umidità: molti compositi a matrice biopolimerica perdono coesione dopo cicli ripetuti di bagnatura. Nell’ESM la struttura idrofobica dello scaffold di hydrochar funge da schermo, e i provini hanno mantenuto la propria forma e la propria portanza dopo immersioni e cicli idrici ripetuti. Resta aperto il tema della durabilità a lungo termine, che richiederà sperimentazioni nell’ordine degli anni prima che il materiale possa essere qualificato per impieghi strutturali permanenti in ambienti esterni soggetti a gelo-disgelo, cloruri o agenti chimici.
Il dato che ha attirato l’attenzione della comunità tecnica è il bilancio netto delle emissioni associate al ciclo produttivo. Stando alle stime fornite dagli autori, ogni metro cubo di ESM sequestra approssimativamente 6,1 kg di CO₂ durante la propria formazione. La cifra resta modesta in valore assoluto, ma assume un significato diverso se confrontata con i 330 kg di CO₂ emessi mediamente da un metro cubo di calcestruzzo Portland tradizionale: la differenza supera i 336 kg per metro cubo, e su una scala industriale anche un’adozione parziale produrrebbe effetti aggregati di rilievo.
Il sequestro avviene attraverso due canali: la fissazione diretta della CO₂ atmosferica all’interno della calcite formata per via enzimatica, e l’incorporazione nello scaffold di hydrochar di carbonio biogenico precedentemente catturato dalla biomassa di partenza. La produzione richiede inoltre energia in quantità sostanzialmente inferiore rispetto al ciclo del clinker, perché tutte le reazioni avvengono al di sotto dei 100 °C. Anche la cottura dei provini, ove prevista per accelerare la presa, è limitata a temperature compatibili con resistenze elettriche standard.
Le proprietà dell’ESM lo rendono compatibile con strategie di costruzione circolare. Il materiale può essere riparato in opera attraverso l’applicazione di una nuova soluzione enzimatica nelle aree fessurate: i cristalli di calcite ricrescono nelle microfratture e ricostituiscono la continuità portante. La versione precedente ECM aveva dimostrato la capacità di sopportare almeno sei cicli completi di auto-riparazione mantenendo la resistenza meccanica; per ESM il dato è in fase di consolidamento, ma il principio è lo stesso ed è plausibile attendersi un comportamento equivalente o migliore.
Il riciclo a fine vita rappresenta un altro vantaggio competitivo del composito enzimatico. Mentre il calcestruzzo demolito può essere riutilizzato solo come aggregato per riempimenti o sottofondi a basse prestazioni, perché il legante idratato non può essere riattivato, l’ESM può in linea di principio essere triturato e reintrodotto in un nuovo ciclo enzimatico, perché i cristalli di carbonato di calcio possono essere ridissolti, riprecipitati o integrati in formulazioni diverse. Una caratteristica che si allinea con i requisiti di chiusura dei flussi di materia perseguiti dalle normative europee sull’edilizia sostenibile e dai protocolli di certificazione ambientale come LEED, BREEAM, DGNB.
Il salto dal laboratorio al cantiere è la fase più delicata di qualsiasi nuovo materiale strutturale, e l’ESM non fa eccezione. Diversi ostacoli pratici separano il prototipo da Worcester da una produzione industriale di massa, e meritano un’analisi puntuale.
A questi due nodi se ne aggiungono altri di natura normativa: l’introduzione di un materiale strutturale in ambito europeo richiede l’omologazione secondo l’Eurocodice 2 per le strutture in calcestruzzo o, in alternativa, il rilascio di un European Technical Assessment (ETA) ai sensi del Regolamento UE 305/2011 sui prodotti da costruzione. Il percorso prevede prove di tipo, controllo di produzione in fabbrica, valutazione della durabilità in ambiente reale, marcatura CE e adozione nei capitolati prestazionali. Per un materiale del tutto nuovo, privo di una storia centenaria di applicazioni come quella del cemento, si tratta di un processo che richiede anni di lavoro e investimenti significativi in sperimentazione di lungo periodo.
Anche la logistica enzimatica pone questioni operative non banali. La carbonica anidrasi è una proteina sensibile a temperatura, pH e contaminazione microbica, e richiede catene del freddo o stabilizzazioni mediante incapsulamento o immobilizzazione su supporti inerti. Il gruppo WPI ha già brevettato alcune di queste soluzioni e le ha trasferite alla startup Enzymatic Inc., spin-off accademico nato per portare il materiale sul mercato.
Le caratteristiche oggi documentate dell’ESM lo rendono compatibile con un ampio insieme di applicazioni in cui la resistenza richiesta è moderata e la velocità di realizzazione è un fattore competitivo. Pannelli di tamponamento per facciate ventilate, lastre per coperture leggere, elementi modulari per edilizia residenziale prefabbricata, pareti divisorie portanti in edifici a uno o due piani, blocchi per murature non sismiche, riempimenti di cassero e getti di livellamento rappresentano altrettanti ambiti in cui un materiale che indurisce in poche ore e cattura CO₂ può sostituire o affiancare il calcestruzzo convenzionale.
Il settore dell’edilizia di emergenza e della ricostruzione post-disastro è un altro candidato naturale: la rapidità di presa permette la realizzazione di strutture provvisorie o definitive in tempi compatibili con le esigenze umanitarie, e la possibilità di lavorare a basse temperature senza forni semplifica la logistica in aree colpite da eventi estremi. Sul versante dell’edilizia abitativa a basso costo, soprattutto in paesi in via di sviluppo, l’eliminazione del clinker e l’uso di sabbia locale e biomassa residua come hydrochar possono ridurre la dipendenza da filiere industriali concentrate e abbattere l’energia incorporata negli edifici.
L’integrazione con processi di stampa tridimensionale rappresenta un’ulteriore prospettiva concreta. La possibilità di estrudere o spruzzare l’ESM in stato fluido prima dell’indurimento lo rende compatibile con le tecnologie di 3D printing edilizio, oggi limitate da malte ad alto contenuto cementizio e da problemi di fessurazione differenziata fra strati successivi. Un materiale a presa rapida che cattura CO₂ durante l’indurimento risolverebbe entrambi i problemi e si presterebbe a costruzioni a geometria complessa con bassa impronta di carbonio incorporato.
L’ESM non opera in un vuoto industriale, ma in un panorama dove diverse alternative al cemento Portland tradizionale stanno maturando. Il cemento di Sublime Systems, prodotto a temperatura ambiente attraverso elettrochimica e già adottato sperimentalmente da Microsoft, propone una via diversa al medesimo obiettivo: ridurre o azzerare le emissioni del legante mantenendo la chimica idraulica del prodotto finale. I cementi attivati alcalinamente (geopolimeri) sostituiscono il clinker con scorie e ceneri volanti attivate da soluzioni alcaline e abbattono l’impronta di carbonio del 60-80%. I cementi a ridotto contenuto di clinker, già normati a livello europeo come CEM II e CEM III, costituiscono la transizione incrementale dell’industria esistente.
Rispetto a queste tecnologie, l’ESM si posiziona come l’unica via che produce un materiale a saldo negativo netto durante la propria formazione. La differenza di paradigma è significativa: le altre soluzioni mirano a ridurre le emissioni a parità di prestazioni, l’ESM mira a invertirne il segno. Questa distinzione, oggi, rappresenta più una promessa che una realtà industriale consolidata, ma fissa un’asticella di riferimento per la ricerca dei prossimi decenni e suggerisce un asse di sviluppo lungo il quale le architetture biologiche e quelle minerali possono integrarsi anziché contrapporsi.
Lo studio pubblicato su Matter da Wang, Pourhaji, Vassallo, Heidarnezhad, Scarlata e Rahbar (DOI: 10.1016/j.matt.2025.102564) chiude indicando come prossimi passi il miglioramento delle proprietà meccaniche, la scalabilità della produzione, l’analisi della durabilità nel tempo e la valutazione dell’efficienza ecologica complessiva del ciclo. Le applicazioni rinforzate e funzionali, che il gruppo intende esplorare, dovrebbero permettere di estendere il campo di impiego mantenendo o riducendo ulteriormente l’impronta di CO₂ del materiale. Un’agenda di ricerca che si misura con tempi propri della filiera edilizia e che, se confermata sul piano industriale, potrebbe modificare l’aspetto di una parte rilevante del costruito mondiale a partire dal prossimo decennio.