微生物助力混凝土可自愈裂縫，還能再生？
時(shí)間：2021-07-05 來源：HELEN ALBERT 分享：
隨著人們對(duì)微生物學(xué)和合成學(xué)技術(shù)的逐步了解，越來越多的創(chuàng)新生物材料開始進(jìn)入市場。能自愈、不產(chǎn)生裂縫的“活”水泥？可再生的菌絲體絕緣板？科學(xué)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(duì)微生物學(xué)和合成學(xué)技術(shù)的逐步了解，越來越多的創(chuàng)新生物材料開始進(jìn)入市場。能自愈、不產(chǎn)生裂縫的“活”水泥？可再生的菌絲體絕緣板？科學(xué)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(shí)到建筑業(yè)造成的廢物和污染，所以現(xiàn)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(lián)合創(chuàng)始人兼業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)Gavin McIntyre表示：“在建筑中使用生物材料并不是一個(gè)新概念——木結(jié)構(gòu)建筑物的建造史已有數(shù)千年?！痹摴灸軌蛴媚⒐礁档木z體制造材料。
隨著人們對(duì)微生物學(xué)和合成生物學(xué)技術(shù)的了解不斷增加，創(chuàng)新生物材料正在逐步進(jìn)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(dú)特之處在于它們是可調(diào)節(jié)的，我們現(xiàn)在可以在分子水平上創(chuàng)造具有獨(dú)特性質(zhì)的材料。”McIntyr說。
雖然人們一直都對(duì)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(yán)重受價(jià)格驅(qū)動(dòng)，這意味著人們接受生物材料的速度很慢。然而，隨著消費(fèi)者對(duì)可持續(xù)性的需求不斷增加，提高了人們對(duì)這些創(chuàng)新材料的興趣，這導(dǎo)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?！痹摴局饕ㄟ^低碳足跡的生物工藝生產(chǎn)水泥。Ginger Krieg Dosier還表示：“傳統(tǒng)的波特蘭水泥在200年的時(shí)間里都沒有出現(xiàn)過鍛煉。生物解決方案通過理解自然界的藍(lán)圖作為靈感，提供了一種新的制造方式。”
混凝土是世界上應(yīng)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(xì)粒材料（稱為骨料）與水泥這樣的粘結(jié)材料結(jié)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(xì)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(jié)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(chǎn)過程中存在一個(gè)嚴(yán)重的問題，就是它的污染非常嚴(yán)重，而且產(chǎn)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(dāng)耐用的材料，但隨著時(shí)間的流逝，它很容易裂開，特別是在潮濕的條件下，會(huì)腐蝕嵌入的鋼筋，尤其是在水基結(jié)構(gòu)中。它還容易受到極端溫度、化學(xué)物質(zhì)和天氣侵蝕的破壞。
為了應(yīng)對(duì)其中的一些負(fù)面影響，幾家公司正在利用無害的極端細(xì)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(qiáng)的細(xì)菌自然存在于火山附近的極堿性湖泊中，可產(chǎn)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(xué)的微生物學(xué)家Hendrik Jonkers決定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將這些細(xì)菌添加到標(biāo)準(zhǔn)的混凝土混合物中使其更穩(wěn)定。這一系列舉動(dòng)最終促使荷蘭公司 Green Basilisk 在2015年成立，并將相關(guān)產(chǎn)品推向了市場。他們的產(chǎn)品名為Basilisk，是普通混凝土的一種添加劑，里面含有細(xì)菌孢子。當(dāng)它們接觸到水時(shí)，細(xì)菌開始生長并產(chǎn)生石灰石，石灰石可以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，減少收縮，并使混凝土更加防水。
該公司市場營銷和客戶經(jīng)理Marc Brants說：“我們可以將收縮增強(qiáng)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(dá)30公斤的燃料?！?nbsp;Green Basilisk公司花了一段時(shí)間才獲得認(rèn)證，但 Brants表示，現(xiàn)在很多公司和組織都對(duì)這種生物材料的使用感興趣。“政府公司確實(shí)在推動(dòng)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(diào)查中也能看到這一點(diǎn)。
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(xì)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(chǎn)過程中對(duì)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(chǎn)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(xùn)的正式建筑師，我的方法是使用設(shè)計(jì)思維、蠻力和迭代。”Dosier說。
Wil Srubar是美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校（University of Colorado Boulder）專注于建筑和新材料的副教授，同時(shí)也是美國建筑公司 Katerra 的高級(jí)材料主管，他和他的團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們利用聚球藻屬的Synechococcus cyanobacteria進(jìn)行光合作用，這是一種廣泛在于海洋環(huán)境中的單細(xì)胞生物。當(dāng)細(xì)菌嵌入水凝膠和沙子支架模具中時(shí)，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(jié)構(gòu)。
Srubar解釋說：“我們使用合成生物學(xué)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(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括固碳砂漿、建筑中的輕質(zhì)混凝土、生物活性表面、臨時(shí)救災(zāi)避難所或道路?！?/span>當(dāng)磚塊變干時(shí)，細(xì)菌會(huì)進(jìn)入停滯狀態(tài)，但當(dāng)暴露在溫暖和潮濕的環(huán)境中時(shí)，細(xì)菌可能會(huì)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(jìn)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(jié)構(gòu)的一部分。這是總部位于英國的創(chuàng)業(yè)公司Biohm的關(guān)注點(diǎn)，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(jīng)理Aaron Jones表示，“我們的技術(shù)專注于利用農(nóng)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。”該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品是菌絲體絕緣板，目前正在進(jìn)行認(rèn)證。菌絲體的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是它可以在廢棄的農(nóng)產(chǎn)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(huì)發(fā)現(xiàn)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?！盝ones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(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。”
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(nóng)業(yè)副產(chǎn)品結(jié)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(chǎn)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(lǐng)域。這可能與缺乏行業(yè)認(rèn)可有關(guān)，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(gè)挑戰(zhàn)?！盝ones說，“人們會(huì)問很多問題，比如‘它會(huì)開始在我的墻壁上生長嗎?’‘它會(huì)開始吃我的房子嗎?’”Biohm還在研究和開發(fā)新產(chǎn)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?yàn)槲覀儾幌Ｍ缓οx吃掉。”Jones 說。“柑橘皮非常結(jié)實(shí)，它賦予了木板一種不同的質(zhì)地，可以使木板盡可能堅(jiān)固，盡可能與中等密度纖維板等產(chǎn)品相抗衡。”
圖.Ecovative公司的菌絲燈
“我們的產(chǎn)品花了大約三到四年的時(shí)間才獲得認(rèn)證，”Brants說，“特別是對(duì)于大型項(xiàng)目，承包商不想?yún)⑴c創(chuàng)新，因?yàn)樗麄儽仨毘袚?dān)責(zé)任，所以這是非常重要的第一步?，F(xiàn)在我們的產(chǎn)品獲得了認(rèn)證，我們看到各種細(xì)分市場都出現(xiàn)了有趣的增長?！?/span>
另一個(gè)問題是擴(kuò)大規(guī)模。通常情況下，在小規(guī)模范圍內(nèi)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(chǎn)之間的差距可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。溝通也是關(guān)鍵。建筑行業(yè)的一個(gè)大問題就是讓消費(fèi)者接受創(chuàng)新的生物材料。定價(jià)也可能存在問題，因?yàn)榻ㄖ袠I(yè)在很大程度上受成本驅(qū)動(dòng)。如果新材料比現(xiàn)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(chǎn)品的壽命來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)?！坝辛俗晕倚迯?fù)技術(shù)，你可以確保更長的保質(zhì)期和更少的維護(hù)。因此，對(duì)于終端用戶來說，這已經(jīng)是盈虧平衡了，但是我們也想為承包商創(chuàng)造一個(gè)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(gè)成功的商業(yè)案例?！彼麖?qiáng)調(diào)說。
Srubar說，他和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的材料的優(yōu)勢之一是價(jià)格，他們的設(shè)計(jì)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?yàn)榻ㄖ且粋€(gè)商品市場?！彼忉屨f。
盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但全球范圍內(nèi)關(guān)于全球變暖和污染的討論已經(jīng)使許多人意識(shí)到讓工業(yè)變得更加綠色和更可持續(xù)的重要性。這已經(jīng)對(duì)建筑行業(yè)的公司產(chǎn)生了積極影響，因?yàn)榇笮徒ㄖ?xiàng)目背后的組織希望它們更環(huán)保、更可持續(xù)。
“人們意識(shí)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(jīng)濟(jì)，那么我們就會(huì)產(chǎn)生更多的垃圾，而垃圾填埋場將會(huì)越來越快地被填滿，”Jones 說，“這是一個(gè)問題，像這樣（生物材料）的實(shí)踐和技術(shù)將會(huì)解決這個(gè)問題?！?/span>
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