微生物助力混凝土可自愈裂縫，還能再生？
時間：2021-07-05 來源：HELEN ALBERT 分享：
隨著人們對微生物學和合成學技術的逐步了解，越來越多的創(chuàng)新生物材料開始進入市場。能自愈、不產生裂縫的“活”水泥？可再生的菌絲體絕緣板？科學家們正在將微生物引入建筑材料中。今天我們一起來看看這些神奇的創(chuàng)新生物材料吧！
隨著人們對微生物學和合成學技術的逐步了解，越來越多的創(chuàng)新生物材料開始進入市場。能自愈、不產生裂縫的“活”水泥？可再生的菌絲體絕緣板？科學家們正在將微生物引入建筑材料中。今天我們一起來看看這些神奇的創(chuàng)新生物材料吧！
人們越來越意識到建筑業(yè)造成的廢物和污染，所以現在正在利用廢物和微生物制造新的生物材料來解決這些生態(tài)問題。
美國Evocative Design公司的聯合創(chuàng)始人兼業(yè)務拓展總監(jiān)Gavin McIntyre表示：“在建筑中使用生物材料并不是一個新概念——木結構建筑物的建造史已有數千年?！痹摴灸軌蛴媚⒐礁档木z體制造材料。
隨著人們對微生物學和合成生物學技術的了解不斷增加，創(chuàng)新生物材料正在逐步進入市場，如自愈混凝土、菌絲體絕緣材料、食物垃圾制成的硬紙板和人造珍珠母等等。“新一代生物材料的獨特之處在于它們是可調節(jié)的，我們現在可以在分子水平上創(chuàng)造具有獨特性質的材料。”McIntyr說。
雖然人們一直都對開發(fā)新型建筑生物材料很感興趣，但建筑業(yè)較為保守，而且嚴重受價格驅動，這意味著人們接受生物材料的速度很慢。然而，隨著消費者對可持續(xù)性的需求不斷增加，提高了人們對這些創(chuàng)新材料的興趣，這導致建筑材料的競爭環(huán)境更加激烈。
美國Biomason公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Ginger Krieg Dosier說：“建筑和建筑行業(yè)需要顛覆。”該公司主要通過低碳足跡的生物工藝生產水泥。Ginger Krieg Dosier還表示：“傳統(tǒng)的波特蘭水泥在200年的時間里都沒有出現過鍛煉。生物解決方案通過理解自然界的藍圖作為靈感，提供了一種新的制造方式。”
混凝土是世界上應用最廣泛的建筑材料之一。不論是以哪種形式，混凝土自古以來就一直存在?；炷潦怯上袷沂蜕匙舆@樣的粗粒和細粒材料（稱為骨料）與水泥這樣的粘結材料結合而成的。
波特蘭水泥（Portland cement）是由Joseph Aspdin發(fā)明的，并于 1824年獲得專利，它是以英國多塞特（Dorset）的波特蘭島（Isle of Portland）上的石頭命名的。這種水泥是由細磨并加熱的石灰石和粘土礦物，再加上石膏（石灰泥的一種成分）結合而成的，是至今為止使用最廣泛的水泥形式。Dosier表示，水泥生產過程中存在一個嚴重的問題，就是它的污染非常嚴重，而且產量巨大，以至于水泥每年的碳排放量占全球的 8%，消耗了全球約 10%的飲用水。
混凝土通常是一種相當耐用的材料，但隨著時間的流逝，它很容易裂開，特別是在潮濕的條件下，會腐蝕嵌入的鋼筋，尤其是在水基結構中。它還容易受到極端溫度、化學物質和天氣侵蝕的破壞。
為了應對其中的一些負面影響，幾家公司正在利用無害的極端細菌的力量，如巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina Pasteurii）和假絲芽孢桿菌（Bacillus Pseudoffus），來制造可以自愈混凝土。這些頑強的細菌自然存在于火山附近的極堿性湖泊中，可產生石灰?guī)r。而且它們的孢子可以存活200年，并能承受 200℃以上的溫度。
代爾夫特（Delft）大學的微生物學家Hendrik Jonkers決定進行實驗，將這些細菌添加到標準的混凝土混合物中使其更穩(wěn)定。這一系列舉動最終促使荷蘭公司 Green Basilisk 在2015年成立，并將相關產品推向了市場。他們的產品名為Basilisk，是普通混凝土的一種添加劑，里面含有細菌孢子。當它們接觸到水時，細菌開始生長并產生石灰石，石灰石可以穩(wěn)定結構，減少收縮，并使混凝土更加防水。
該公司市場營銷和客戶經理Marc Brants說：“我們可以將收縮增強材料減少50%，這意味著，如果我們在混凝土中加入5公斤Basilisk，每立方米就可以節(jié)省多達30公斤的燃料?！?nbsp;Green Basilisk公司花了一段時間才獲得認證，但 Brants表示，現在很多公司和組織都對這種生物材料的使用感興趣。“政府公司確實在推動承包商使用更環(huán)保的解決方案，我們看到他們真的在尋找這種創(chuàng)新，從我們的調查中也能看到這一點。
Biomason公司使用的微生物與Green Basilisk相似，但制造過程不同。該公司將含有尿素、氯化鈣和細菌的溶液與廢渣混合，形成模壓瓷磚，然后在室溫下完全固化，從而消除了生產過程中對高溫和化石燃料的需求。
“受珊瑚礁和天然海洋水泥形成的啟發(fā)，我產生了‘種混凝土磚’的想法，于是成立了這家公司。作為一名受過培訓的正式建筑師，我的方法是使用設計思維、蠻力和迭代?！盌osier說。
Wil Srubar是美國科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado Boulder）專注于建筑和新材料的副教授，同時也是美國建筑公司 Katerra 的高級材料主管，他和他的團隊正在利用微生物提高混凝土的可持續(xù)性和耐久性。為了實現這一目標，他們利用聚球藻屬的Synechococcus cyanobacteria進行光合作用，這是一種廣泛在于海洋環(huán)境中的單細胞生物。當細菌嵌入水凝膠和沙子支架模具中時，它們開始吸收二氧化碳和光線，從而在模具中形成混凝土般的結構。
Srubar解釋說：“我們使用合成生物學的工具來改善礦化，并幫助生物體提高在干燥條件下生存的能力。我們的材料可以作為建筑材料應用于許多領域，包括固碳砂漿、建筑中的輕質混凝土、生物活性表面、臨時救災避難所或道路。”當磚塊變干時，細菌會進入停滯狀態(tài)，但當暴露在溫暖和潮濕的環(huán)境中時，細菌可能會再次活躍起來。從理論上講，將一塊磚切成兩半，然后將每半塊浸入原來的生物材料溶液中，就可以長出兩塊新的磚。
Srubar說：“我們相信這種材料特別適合于資源稀缺的環(huán)境，比如沙漠或北極，甚至是其他星球上的人類居住區(qū)?！彼罱闪⒘艘患颐麨镻rometheus Materials的初創(chuàng)公司，進一步開發(fā)這些創(chuàng)新的生物材料。
另一種很有前途的建筑材料是菌絲體，它是蘑菇根部結構的一部分。這是總部位于英國的創(chuàng)業(yè)公司Biohm的關注點，該公司致力于為建筑業(yè)開發(fā)可持續(xù)和可生物降解的材料。
“我們希望盡可能節(jié)約資源，”該公司開發(fā)經理Aaron Jones表示，“我們的技術專注于利用農業(yè)或建筑業(yè)的垃圾，并試圖再生這些材料，使它們變得有用?！?/span>該公司的主導產品是菌絲體絕緣板，目前正在進行認證。菌絲體的一個關鍵優(yōu)勢是它可以在廢棄的農產品上生長，并且是可生物降解的，它還含有甲殼素，這是一種天然的阻燃劑。
“如果你看看目前市場上的絕緣材料，你會發(fā)現有很多選擇，主要是石化材料。所以，從最廣泛的意義上說，由于它們是塑料，所以在它們生命的最后，它們將被埋在垃圾填埋場。”Jones解釋說。“我們的想法建立在這種循環(huán)的理念上……如果我們要把廢棄材料拿回來，我們可以把它分解，然后重新把它們做成我們所需的菌絲體板，這也是我們正在進行的實驗。”
另一家利用菌絲體制造生物材料的公司是美國的Ecovative Design公司。目前，該公司正在利用菌絲體將農業(yè)副產品結合在一起來制造包裝，制造各種用途的蘑菇皮革和泡沫，最近還通過一種名為Atlast Food的衍生產品，推廣利用特色蘑菇制造的肉類替代品。
值得注意的是，Ecovative公司也曾為建筑行業(yè)開發(fā)隔熱泡沫，但后來由于未透露的原因離開了這一領域。這可能與缺乏行業(yè)認可有關，這也是Biohm公司正在處理的問題。
“在建筑行業(yè)中，僅僅是克服先前存在的偏見和絕緣板的已有概念可能是一個挑戰(zhàn)?！盝ones說，“人們會問很多問題，比如‘它會開始在我的墻壁上生長嗎?’‘它會開始吃我的房子嗎?’”Biohm還在研究和開發(fā)新產品，包括利用食物垃圾（如橘子皮）制造硬紙板或中密度纖維板。“我們測試了幾種不同的東西，比如咖啡糠、可可殼和柑橘皮。我們不希望木板本身有過高的營養(yǎng)含量，因為我們不希望它被害蟲吃掉。”Jones 說。“柑橘皮非常結實，它賦予了木板一種不同的質地，可以使木板盡可能堅固，盡可能與中等密度纖維板等產品相抗衡。”
圖.Ecovative公司的菌絲燈
“我們的產品花了大約三到四年的時間才獲得認證，”Brants說，“特別是對于大型項目，承包商不想參與創(chuàng)新，因為他們必須承擔責任，所以這是非常重要的第一步?，F在我們的產品獲得了認證，我們看到各種細分市場都出現了有趣的增長?！?/span>
另一個問題是擴大規(guī)模。通常情況下，在小規(guī)模范圍內制造新材料要容易得多，而縮小從小規(guī)模到大規(guī)模生產之間的差距可能是一項挑戰(zhàn)。溝通也是關鍵。建筑行業(yè)的一個大問題就是讓消費者接受創(chuàng)新的生物材料。定價也可能存在問題，因為建筑行業(yè)在很大程度上受成本驅動。如果新材料比現有材料更貴，就不太可能被購買。
Brants說，Green Basilisk公司正在通過證明該產品的壽命來應對這一挑戰(zhàn)。“有了自我修復技術，你可以確保更長的保質期和更少的維護。因此，對于終端用戶來說，這已經是盈虧平衡了，但是我們也想為承包商創(chuàng)造一個商業(yè)案例，通過省去防水膜或特殊涂層以及減少鋼材，我們最終可能可以成為一個成功的商業(yè)案例?！彼麖娬{說。
Srubar說，他和他的團隊創(chuàng)造的材料的優(yōu)勢之一是價格，他們的設計可以與普通混凝土直接競爭?！埃沙掷m(xù)建筑）材料與傳統(tǒng)材料相比，必須具有成本競爭力，因為建筑是一個商品市場?！彼忉屨f。
盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但全球范圍內關于全球變暖和污染的討論已經使許多人意識到讓工業(yè)變得更加綠色和更可持續(xù)的重要性。這已經對建筑行業(yè)的公司產生了積極影響，因為大型建筑項目背后的組織希望它們更環(huán)保、更可持續(xù)。
“人們意識到，如果我們在未來 10 到 20 年里不走向更可持續(xù)的商業(yè)和循環(huán)經濟，那么我們就會產生更多的垃圾，而垃圾填埋場將會越來越快地被填滿，”Jones 說，“這是一個問題，像這樣（生物材料）的實踐和技術將會解決這個問題?！?/span>
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