Живой строительный материал (LBM) – это материал, используемый в строительстве или промышленном дизайне, который ведет себя подобно живому организму. Примеры включают: самовосстанавливающийся биоцемент, самовоспроизводящийся заменитель бетона и композиты на основе мицелия для строительства и упаковки. Художественные проекты включают строительные детали и предметы домашнего обихода.
История
Разработка живых строительных материалов началась с исследования методов минерализации бетона, которые были вдохновлены коралловой минерализацией. Использование микробиологически индуцированного осаждения кальцита (MICP) в бетоне было впервые предложено Адольфом и др. в 1990 году в качестве метода нанесения защитного покрытия на фасады зданий.
В 2007 году компания Ecovative Design, результат исследований, проведенных в Политехническом институте Ренсселера, представила «Greensulate», строительный изоляционный материал на основе мицелия. Композиты мицелия позже были разработаны для упаковки, звукопоглощения и конструкционных строительных материалов, таких как кирпичи.
В Великобритании в 2013 году в Кардиффском университете был основан проект Материалы для жизни (M4L) с целью «создать искусственную среду и инфраструктуру, которая представляет собой устойчивую и отказоустойчивую систему, включающую материалы и конструкции, которые постоянно контролируют, регулировать, адаптироваться и восстанавливаться без необходимости внешнего вмешательства». M4L привел к первым в Великобритании испытаниям самовосстанавливающегося бетона. В 2017 году проект расширился до консорциума, возглавляемого университетами Кардиффа, Кембриджа, Бата и Брэдфорда, изменив название на Resilient Materials 4 Life (RM4L) и получив финансирование от Исследовательского совета инженерных и физических наук. . Этот консорциум занимается четырьмя аспектами технологии материалов: самозаживлением трещин в различных масштабах; самовосстановление повреждений, зависящих от времени и циклических нагрузок; самодиагностика и лечение химических повреждений; самодиагностика и иммунизация против физических повреждений.
В 2016 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) запустило программу Инженерные живые материалы (ELM). Цель этой программы — «разработать инструменты и методы проектирования, которые позволяют создавать структурные особенности клеточных систем, которые функционируют как живые материалы, открывая тем самым новое пространство проектирования для строительных технологий… [и] проверять эти новые методы». посредством производства живых материалов, которые могут воспроизводиться, самоорганизовываться и самоисцеляться». В 2017 году программа ELM заключила контракт с Ecovative Design на производство «живого гибридного композитного строительного материала… [чтобы] генетически перепрограммировать этот живой материал с адаптивными функциями, [такими как] заживление ран… [и] быстро повторно использовать и перераспределять [материал в новые формы, формы и применения». В 2020 году исследовательская группа из Университета Колорадо, финансируемая за счет гранта ELM, опубликовала статью после успешного создания экспоненциально регенерирующего бетона.
Самовоспроизводящийся бетон
Самовоспроизводящийся бетон производится с использованием смеси песка и гидрогеля, которые используются в качестве питательной среды для роста бактерий синехококка.
Синтез и изготовление
Смесь песка и гидрогеля, из которой изготавливается самовоспроизводящийся бетон, имеет более низкий уровень pH, более низкую ионную силу и более низкие температуры отверждения, чем обычная бетонная смесь, что позволяет ей служить питательной средой для бактерий. По мере размножения бактерии распространяются по среде и биоминерализуют ее карбонатом кальция, который является основным фактором общей прочности и долговечности материала. После минерализации песчано-гидрогелевое соединение становится достаточно прочным, чтобы его можно было использовать в строительстве в качестве бетона или строительного раствора.
Бактерии в самовоспроизводящемся бетоне реагируют на изменение влажности: они наиболее активны и быстрее всего размножаются в среде со 100-процентной влажностью, хотя падение до 50 % не оказывает большого влияния на клеточную активность. Более низкая влажность делает материал более прочным, чем высокая влажность.
По мере размножения бактерий увеличивается их биоминерализация; это позволяет масштабировать производственные мощности в геометрической прогрессии.
Характеристики
Структурные свойства этого материала аналогичны растворам на основе портландцемента: модуль упругости составляет 293,9 МПа, предел прочности — 3,6 МПа (минимально необходимое значение для бетона на основе портландцемента составляет около 3,5 МПа); однако его энергия разрушения составляет 170 Н, что намного меньше, чем у большинства стандартных бетонных составов, которые могут достигать нескольких кН.
Использует
Самовоспроизводящийся бетон можно использовать в различных областях применения и средах, но влияние влажности на свойства конечного материала (см. выше) означает, что применение материала должно быть адаптировано к окружающей среде. Во влажной среде материал можно использовать для заполнения трещин в дорогах, стенах и тротуарах, просачиваясь в полости и образуя твердую массу по мере застывания; в то время как в более засушливых условиях его можно использовать конструктивно из-за его повышенной прочности в условиях низкой влажности.
В отличие от традиционного бетона, производство которого выбрасывает в атмосферу огромное количество углекислого газа, бактерии, используемые в самовоспроизводящемся бетоне, поглощают углекислый газ, что приводит к снижению углеродного следа.
Этот самовоспроизводящийся бетон предназначен не для замены стандартного бетона, а для создания нового класса материалов, сочетающего прочность, экологические преимущества и биологическую функциональность.
Биоцемент карбонат кальция
Биоцемент представляет собой песчаный заполнитель, получаемый в процессе микробиологически индуцированного осаждения кальцита (MICP). Это экологически чистый материал, который можно производить из самых разных материалов: от сельскохозяйственных отходов до отходов шахт.
Синтез и изготовление
Микроскопические организмы являются ключевым компонентом в формировании биобетона, поскольку они обеспечивают место зародышеобразования CaCO3 для осаждения на поверхности. Такие микроорганизмы, как Sporosarcina Pasteurii, полезны в этом процессе, поскольку они создают сильнощелочную среду, в которой растворенный неорганический углерод (DIC) присутствует в больших количествах. [не удалось проверить] Эти факторы необходимы для микробиологически индуцированного осаждения кальцита. (MICP), который является основным механизмом образования биобетона. Другие организмы, которые можно использовать для индукции этого процесса, включают фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как микроводоросли, цианобактерии и сульфатредуцирующие бактерии (SRB), такие как Desulfovibrio desulfuricans.
Зародышеобразование карбоната кальция зависит от четырех основных факторов:
Пока концентрации ионов кальция достаточно высоки, микроорганизмы могут создавать такую среду посредством таких процессов, как уреолиз.
Достижения в оптимизации методов использования микроорганизмов для облегчения осаждения карбонатов быстро развиваются.
Характеристики
Биоцемент способен «самовосстанавливаться» за счет бактерий, компонентов лактата кальция, азота и фосфора, которые примешиваются к материалу. Эти компоненты обладают способностью сохранять активность в биоцементе до 200 лет. Биоцемент, как и любой другой бетон, может треснуть под воздействием внешних сил и напряжений. Однако, в отличие от обычного бетона, микроорганизмы в биоцементе могут прорастать при попадании в воду. Дождь может поставлять эту воду, а это среда, в которой может оказаться биоцемент. После попадания в воду бактерии активируются и питаются лактатом кальция, который был частью смеси. Этот процесс питания также потребляет кислород, который превращает первоначально водорастворимый лактат кальция в нерастворимый известняк. Затем этот известняк затвердевает на поверхности, на которой он лежит, которая в данном случае является областью трещины, тем самым закрывая трещину.
Кислород является одним из основных элементов, вызывающих коррозию таких материалов, как металлы. При использовании биоцемента в сталежелезобетонных конструкциях микроорганизмы потребляют кислород, тем самым повышая коррозионную стойкость. Это свойство также обеспечивает водонепроницаемость, поскольку фактически способствует заживлению и уменьшению общей коррозии. Заполнители водного бетона используются для предотвращения коррозии и могут быть переработаны. Существуют разные методы их образования, например, дробление или измельчение биоцемента.
Проницаемость биоцемента также выше по сравнению с обычным цементом. Это связано с более высокой пористостью биоцемента. Более высокая пористость может привести к большему распространению трещин при воздействии достаточно сильных сил. Биоцемент сейчас примерно на 20% состоит из самовосстанавливающегося агента. Это снижает его механическую прочность. Механическая прочность биобетона примерно на 25% слабее, чем у обычного бетона, что снижает его прочность на сжатие. Такие организмы, как Pesudomonas aeruginosa, эффективны при создании биоцемента. Находиться рядом с людьми небезопасно, поэтому их следует избегать.
Использует
Биоцемент в настоящее время используется в таких областях, как тротуары и тротуары в зданиях. Есть идеи и биологических строительных конструкций. Использование биоцемента до сих пор не получило широкого распространения, поскольку в настоящее время не существует реального метода массового производства биоцемента в такой высокой степени. Также необходимо провести гораздо более тщательные испытания, чтобы уверенно использовать биоцемент в таких крупномасштабных приложениях, где механическая прочность не может быть поставлена под угрозу. Стоимость биоцемента также в два раза дороже обычного бетона. Однако в небольших приложениях их можно использовать и для других целей, включая разбрызгиватели, шланги, капельные линии и пчелиные гнезда. Биоцемент все еще находится на стадии разработки, однако его потенциал оказывается многообещающим для будущего использования.
Композиты мицелия
Композиты мицелия — это материалы, в основе которых лежит мицелий — масса ветвящихся нитевидных гиф, вырабатываемых грибами. Существует несколько способов синтеза и изготовления композитов мицелия, придающих различные свойства и варианты использования конечного продукта. Композиты мицелия экономичны и устойчивы.
Синтез и изготовление
Композиты на основе мицелия обычно синтезируют с использованием различных видов грибов, особенно шампиньонов. Отдельный микроб грибов знакомится с разными видами органических веществ с образованием композита. Выбор видов грибов важен для создания продукта с определенными свойствами. Некоторые виды грибов, которые используются для изготовления композитов, включают G. lucidum, Ganoderma sp. P. ostretus, Pleurotus sp., T. versicolor, Trametes sp. и др. Густая сеть образуется при разложении мицелия микроба грибов и заселении органического вещества. Растительные отходы — это обычный органический субстрат, который используется в композитах на основе мицелия. Грибной мицелий инкубируют с отходами растений для производства устойчивых альтернатив, в основном материалам на основе нефти. Мицелий и органический субстрат должны правильно инкубироваться, и это время имеет решающее значение, поскольку именно в этот период эти частицы взаимодействуют друг с другом и связываются в одно целое, образуя плотную сеть и, следовательно, образуя композит. В течение этого инкубационного периода мицелий использует необходимые питательные вещества, такие как углерод, минералы и воду, из отходов растений. Некоторые из компонентов органического субстрата включают хлопок, пшеничное зерно, рисовую шелуху, волокно сорго, сельскохозяйственные отходы, опилки, частицы хлеба, банановую кожуру, остатки кофе и т. д. Композиты синтезируются и производятся с использованием различных методов, таких как добавление углеводов, изменение ферментации. условий, используя различные технологии производства, изменяя этапы постобработки и модифицируя генетику или биохимические вещества для получения продуктов с определенными свойствами. Для изготовления большинства композитов мицелия используются пластиковые формы, поэтому мицелию можно выращивать непосредственно в желаемой форме. Другие методы изготовления включают пресс-форму для ламината, вакуумную форму, стеклянную форму, фанерную форму, деревянную форму, форму для чашки Петри, форму для плитки и т. д. В процессе изготовления важно иметь стерилизованную среду, контролируемые условия окружающей среды: свет, температуру. (25–35 °C) и влажность около 60–65 % для достижения наилучших результатов. Один из способов синтеза композита на основе мицелия — это смешивание волокон, воды и мицелия в различных соотношениях и размещение слоев в формах из ПВХ, при этом сжимая каждый слой и оставляя его инкубироваться в течение нескольких дней. Композиты на основе мицелия можно перерабатывать в пенопласт, ламинат и листы мицелия, используя такие методы обработки, как последующая резка, холодное и тепловое сжатие и т. д. Композиты мицелия имеют тенденцию поглощать воду, когда они вновь изготовлены, поэтому это свойство можно изменить путем сушки в печи. продукт.
Характеристики
Одним из преимуществ использования композитов на основе мицелия является то, что свойства можно изменять в зависимости от процесса изготовления и использования различных грибов. Свойства зависят от типа используемого гриба и места его выращивания. Кроме того, грибы обладают способностью разрушать целлюлозный компонент растения для получения предпочтительным образом композитов. Некоторые важные механические свойства, такие как прочность на сжатие, морфология, прочность на растяжение, гидрофобность и прочность на изгиб, также могут быть изменены для различного использования композита. Для повышения прочности на разрыв композит можно подвергнуть тепловому прессованию. На свойства композита мицелия влияет его субстрат; например, композит мицелия, состоящий из 75 мас.% рисовой шелухи, имеет плотность 193 кг/м3, а 75 мас.% зерен пшеницы имеет плотность 359 кг/м3. Другой метод увеличения плотности композита — удаление гена гидрофобина. Эти композиты также обладают способностью к самосплавлению, что увеличивает их прочность. Композиты на основе мицелия обычно компактны, пористы, легки и являются хорошими изоляторами. Главным свойством этих композитов является то, что они полностью натуральные, а значит, устойчивые. Еще одним преимуществом композитов на основе мицелия является то, что это вещество действует как изолятор, пожаробезопасно, нетоксично, водостойко, быстро растет и способно связываться с соседними продуктами мицелия. Пенопласты на основе мицелия (MBF) и сэндвич-компоненты представляют собой два распространенных типа композитов. MBF являются наиболее эффективным типом из-за их низкой плотности, высокого качества и устойчивости. Плотность MBF можно уменьшить, используя подложки диаметром менее 2 мм. Эти композиты также имеют более высокую теплопроводность.
Использование
Одним из наиболее распространенных применений композитов на основе мицелия является альтернатива материалам на основе нефти и полистирола. Эти синтетические пенопласты обычно используются для производства экологически чистых продуктов дизайна и архитектуры. Использование композитов на основе мицелия основано на их свойствах. Есть несколько биоустойчивых компаний, таких как Ecovative Design LLC, MycoWorks, MyCoPlast и т. д., которые используют композиты на основе мицелия для производства защитной упаковки для электроники и продуктов питания, кирпичей, заменителей кожи, альтернатив для полов и акустической плитки, тепловой и акустической изоляции, строительные панели и т. д. Свойство способности соединяться с соседним композитом помогает композиту на основе мицелия образовывать прочные связи с широко используемым кирпичом. Примером может служить Hy-Fi, башня высотой 40 футов в MoMA PS1 в Нью-Йорке, построенная из 1000 кирпичей из стеблей кукурузы и мицелия. Этот продукт выиграл ежегодный конкурс Программы молодых архитекторов (YAP) в 2014 году. Есть также несколько других часто используемых продуктов, таких как лампы, кухонная утварь, потолочные панели, декоративные элементы, модные предметы, стулья и т. д., сделанные из мицелия. В архитектуре широко используются композиты на основе мицелия, поскольку они обладают лучшими изоляционными характеристиками и огнестойкостью, чем используемые в настоящее время продукты. Мицелий все чаще используется в промышленности для замены обычных пластиковых материалов, наносящих вред окружающей среде. Эти продукты производятся с использованием низкоэнергетического, естественного производственного процесса и являются биоразлагаемыми.
Дальнейшие применения
Помимо использования живых строительных материалов, применение осаждения карбоната кальция, вызванного микробами (MICP), может помочь удалить загрязняющие вещества из сточных вод, почвы и воздуха. В настоящее время тяжелые металлы и радионуклиды представляют собой сложную задачу по удалению из водных источников и почвы. Радионуклиды в грунтовых водах не реагируют на традиционные методы откачки и очистки воды, а для тяжелых металлов, загрязняющих почву, методы удаления включают фиторемедиацию и химическое выщелачивание; однако эти методы обработки дороги, неэффективны и могут разрушить продуктивность почвы для будущего использования. Используя уреолитические бактерии, способные к осаждению CaCO3, загрязняющие вещества могут перемещаться в структуру кальцита, тем самым удаляя их из почвы или воды. Это работает путем замены ионов кальция на загрязняющие вещества, которые затем образуют твердые частицы и могут быть удалены. Сообщается, что 95% этих твердых частиц можно удалить с помощью уреолитических бактерий. Однако, когда в трубопроводах происходит образование кальциевых отложений, MICP использовать нельзя, так как он основан на кальции. Вместо кальция можно добавить низкую концентрацию мочевины, чтобы удалить до 90% ионов кальция.
Другое дальнейшее применение связано с созданием самостоятельного фундамента, который формируется в ответ на давление за счет использования инженерных бактерий. Созданные бактерии можно использовать для обнаружения повышенного давления в почве, а затем цементировать частицы почвы на месте, эффективно укрепляя почву. Внутри почвы поровое давление состоит из двух факторов: величины приложенного напряжения и того, насколько быстро вода из почвы может дренироваться. Анализируя биологическое поведение бактерий в ответ на нагрузку и механическое поведение почвы, можно создать вычислительную модель. С помощью этой модели можно идентифицировать и модифицировать определенные гены внутри бактерий, чтобы они определенным образом реагировали на определенное давление. Однако бактерии, проанализированные в этом исследовании, были выращены в строго контролируемой лаборатории, поэтому реальная почвенная среда может быть не такой идеальной. Это ограничение модели и исследования, на основе которого она возникла, но она по-прежнему остается возможным применением живых строительных материалов.
