×

Строительные блоки из песка, желатина и…

 

Цемент и бетон, как технологии, не сильно изменились за последние сто лет, но исследователи в Колорадо произвели революцию в этих строительных материалах, вдохнув в них новую жизнь.

Буквально.

Но давайте по порядку.

Цемент удобен, практичен, прост в использовании и доступен. Благодаря низкой стоимости и долговечности, он стал если и не самым широко используемым стройматериалом в мире, то уж точно делит с кем-то пьедестал почёта. Но в этом его великолепии и есть загвоздка: его производство является огромным источником выбросов CO2, одним из ведущих в мире – ежегодно производится не менее 2,8 гигатонны, что составляет почти 8% от мировых «выхлопов». А с индустриализацией таких стран, как Китай и Индия, остаётся прогнозировать только увеличение годового объёма производства. Так, в 2018 году в мире было произведено 3,6 миллиарда тонн цемента, что неминуемо повлекло выбросы углекислого газа в атмосферу в соотношении один к одному. Но это ещё цветочки: к 2060 году ожидается удвоение числа зданий, что эквивалентно строительству (только вдумайтесь!) города, размером с Нью-Йорк, один раз в 30 дней в течение следующих 40 лет!

Так что совсем не зря исследователи всего мира ищут альтернативные методы производства или замены этого материала другими, хотя ни один из последних не приблизился к воспроизведению желаемых качеств цемента.

Но так было до недавнего времени.

15 января в журнале Matter исследователи из Университета Колорадо в Боулдере представили свою новейшую разработку: метод производства бетона, объединяющий не только химию и физику, но и биологию. На фото выше, предоставленном Колледжем Инженерии и Прикладных Наук при упомянутом университете, показан рост и минерализация зелёных фотосинтезирующих цианобактерий в песчано-гидрогелевой структуре. Этот живой материал обладает такой же прочностью и структурной несущей способностью, что и цементный раствор, благодаря чему выдерживает соответствующие нагрузки. Но ещё он несёт и биологическую функцию… Как бы это сказать… В общем, он умеет «заживать», самоисцеляться, и воспроизводить себе подобных.

«Микроорганизмы могут быть использованы для различных целей при проектировании [живых строительных материалов], включая увеличение скорости производства, придание механического эффекта и поддержание биологической функции», - говорят авторы исследования.

В 3D песчано-гидрогелевый каркас была добавлена фотосинтетическая цианобактерияPCC 7002 (Synechococcus), которая превращает CO 2 в сахара во время фотосинтеза. Учёным известно, что цианобактерии выдерживают экстремальные условия окружающей среды, в том числе высокие и низкие температуры, солёность и влажность, что делает их идеальными кандидатами для живых материалов.

Пресс-форма для формовки кирпича из живых материалов. Изображение предоставлено: Колледж инженерных и прикладных наук CU Boulder.

«Мы используем фотосинтетические цианобактерии для биоминерализации каркаса, поэтому он действительно зелёный. Это похоже на материал Франкенштейна», – говорит старший автор Уил Срубар, который возглавляет Лабораторию живых материалов в Университете Колорадо в Боулдере. «Это именно то, что мы пытаемся создать – то, что остаётся в живых».

Технологии производства позволяют регенерировать эти новые материалы из одного основного «кирпича» с помощью переключателей температуры и влажности. Это соответствует циклам инкубации бактерий при 37°C с последующим хранением при низкой температуре, где желатиновая матрица затвердевает и инкапсулирует бактерии – то есть образует капсулы вокруг них, как наш иммунитет от некоторых чуждых микробов в организме.

Разделяя один кирпич пополам и расширяя его форму, используя дополнительные строительные леса из песка и гидрогеля, Срубер и его коллеги продемонстрировали создание восьми новых кирпичей (три последовательных поколения) от одного родителя. По словам Срубера, это, несомненно, изменит наш взгляд на текущую производственную практику и то, как мы повторно используем материалы.

«С инженерной точки зрения реакция [живых строительных материалов] на эти переключатели температуры и влажности является подходящей. Материальные системы, которые защищают микроорганизмы с помощью капсулирующих гелей или других твёрдых сред, обычно требуют физического повреждения герметика, чтобы вызвать дополнительную биоминерализацию», – говорят авторы. «Несмотря на то, что этот метод может быть подходящим для герметизации трещин «на месте», сложно выявить равномерный метаболический ответ у встроенных микроорганизмов. Напротив, переключатели окружающей среды могут применяться равномерно для точного контроля микробной активности».

Тем не менее, существует компромисс между биологической жизнеспособностью и механическими характеристиками, поскольку желатин приобретает максимальную прочность при обезвоживании, а бактерии требуют влажности для функционирования. Баланс между этими двумя факторами был необходим для этого класса живых строительных материалов, но исследователи полагают, что процесс можно оптимизировать, исследуя использование добавок для повышения устойчивости бактерий к сухим условиям.

Хотя эта технология все ещё находится в зачаточном состоянии и не предназначена для полной замены цемента, она представляет собой новый рубеж в производстве материалов: новый класс чувствительных материалов, «в которых структурная функция дополняется биологическими функциями».

«Это материальная платформа, которая создаёт основу для совершенно новых, захватывающих материалов, которые могут быть сконструированы для взаимодействия и реагирования на окружающую среду», – сказал Срубар. «Мы просто пытаемся воплотить строительные материалы в жизнь, и я думаю, что это самородок во всём этом. Мы просто царапаем поверхность и закладываем фундамент новой дисциплины. Небо это предел».


по материалам Advanced Science News