Разработанный метод объединяет песок и бактерии для построения живого материала, демонстрирующего прочность цементных растворов.
Цемент и бетон за более чем 100 лет не сильно изменились, как технологии, но исследователи в Колорадо меняют строительные материалы, буквально оживляя их. Разработанный метод объединяет песок и бактерии для построения живого материала, имеющего структурную нагрузку и биологическую функцию.
Команда создала леса из песка и гидрогеля для роста бактерий внутри материала. Гидрогель сохраняет влагу и питательные вещества для пролиферации и минерализации бактерий, процесс, похожий на образование водорослей в океане. Объединив тройку, исследователи создали зелёный живой материал, который демонстрирует аналогичную прочность цементных растворов.
«Мы используем фотосинтетические цианобактерии для биоминерализации лесов, так что они действительно зелёные. Это выглядит как материал типа Франкенштейна», - говорит старший автор Вил Срубар, возглавляющий Лабораторию живых материалов в Университете Колорадо Булдер. «Именно это мы и пытаемся создать – что-то, что останется в живых».
Гидрогель-песочный кирпич не только живой, но и способный к воспроизводству. Расщепляя кирпич пополам, бактерии могут вырасти в два полных кирпича с помощью какого-нибудь дополнительного песка, гидрогеля и питательных веществ. Вместо того, чтобы изготавливать кирпичи один за другим, Срубар и его команда продемонстрировали, что один родительский кирпич может воспроизводить до восьми кирпичей после трёх поколений.
«Мы действительно рады тому, что это бросает вызов традиционным способам производства строительных материалов», - говорит Срубар. «Это демонстрирует способность экспоненциального производства материала».
Бетон – второй по потреблению материал на земле после воды. Производство цемента, порошка для изготовления бетона, само по себе является причиной шести процентов выбросов CO2, и бетон также высвобождает CO2, когда используется. Метод, разработанный Срубаром и его командой, обеспечивает зелёную альтернативу современным строительным материалам.
Кирпич должен быть полностью высушен для достижения максимальной структурной способности (т.е. прочности), но в то же время сушка напрягает бактерии и подрывает их жизнеспособность. Для поддержания структурной функции и обеспечения микробной живучести критически важна концепция оптимальной относительной влажности и условий хранения. Используя влажность и температуру в качестве физических переключателей, исследователи могут контролировать, когда бактерии растут и когда материал остаётся не активным для выполнения структурных функций.
«Это материальная платформа, которая закладывает основу для новых увлекательных материалов, которые могут быть разработаны для взаимодействия и реагирования на их среду», - говорит Срубар. «Мы просто пытаемся оживить стройматериалы, и я думаю, что в этом вся суть. Мы царапаем поверхность и закладываем фундамент новой дисциплины».
Следующий шаг для команды Срубара – изучение многочисленных приложений, которые приносит материальная платформа. Srubar предполагает введение бактерий с различными функциональными возможностями на материальную платформу для создания новых материалов с биологическими функциями, таких как те, которые чувствуют токсины в воздухе и реагируют на них. Среди других применений – строительные сооружения, где есть ограниченные ресурсы вроде пустыни или даже другой планеты – Марса.
«В суровых условиях эти материалы будут работать особенно хорошо, потому что они используют свет от солнца для роста и распространения с очень небольшим количеством экзогенного материала, необходимого для их роста», - говорит Срубар. «Это так или иначе произойдёт, и мы не будем перевозить мешки цемента до Марса. Я действительно думаю, что мы возьмём биологию с собой, как только уйдём».