Живой строительный материал (ЖСМ) — это материал, используемый в строительстве или промышленном дизайне, который ведет себя подобно живому организму. Примеры включают: самовосстанавливающийся биоцемент, самовоспроизводящуюся замену бетона и композиты на основе мицелия для строительства и упаковки. Художественные проекты включают строительные компоненты 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, ответвление исследований, проведенных в Политехническом институте Ренсселера, представила «Greensulate», строительный изоляционный материал на основе мицелия. Позднее композиты на основе мицелия были разработаны для упаковки, звукопоглощения и конструкционных строительных материалов, таких как кирпичи.
В Соединенном Королевстве проект Materials for Life (M4L) был основан в Кардиффском университете в 2013 году с целью «создать искусственную среду и инфраструктуру, представляющие собой устойчивую и устойчивую систему, включающую материалы и конструкции, которые постоянно контролируют, регулируют, адаптируются и восстанавливаются без необходимости внешнего вмешательства». M4L привел к первым в Великобритании испытаниям самовосстанавливающегося бетона. В 2017 году проект расширился до консорциума во главе с университетами Кардиффа, Кембриджа, Бата и Брэдфорда, изменив свое название на Resilient Materials 4 Life (RM4L) и получив финансирование от Научно-исследовательского совета по инжинирингу и физическим наукам. Этот консорциум фокусируется на четырех аспектах материаловедения: самовосстановление трещин в различных масштабах; самовосстановление повреждений, зависящих от времени и циклических нагрузок; самодиагностика и заживление химических повреждений; и самодиагностика и иммунизация от физических повреждений.
В 2016 году Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) запустило программу Сконструированные живые материалы (ELM). Цель этой программы — «разработать инструменты и методы проектирования, которые позволяют проектировать структурные особенности в клеточных системах, которые функционируют как живые материалы, тем самым открывая новое пространство проектирования для строительных технологий… [и] проверить эти новые методы посредством производства живых материалов, которые могут воспроизводиться, самоорганизовываться и самовосстанавливаться». В 2017 году программа ELM заключила контракт с Ecovative Design на производство «живого гибридного композитного строительного материала… [чтобы] генетически перепрограммировать этот живой материал с адаптивной функциональностью, [такой как] заживление ран… [и] быстро повторно использовать и перераспределять [этот] материал в новые формы, виды и области применения». В 2020 году исследовательская группа из Университета Колорадо, финансируемая грантом ELM, опубликовала статью после успешного создания экспоненциально регенерирующегося бетона.
Самовоспроизводящийся бетон
Самовоспроизводящийся бетон производится с использованием смеси песка и гидрогеля, которые используются в качестве питательной среды для роста бактерий синекококка.
Синтез и изготовление
Смесь песка и гидрогеля, из которой изготавливается самовоспроизводящийся бетон, имеет более низкий pH, более низкую ионную силу и более низкие температуры отверждения, чем типичная бетонная смесь, что позволяет ей служить средой для роста бактерий. По мере размножения бактерии распространяются по среде и биоминерализуют ее карбонатом кальция, который является основным фактором общей прочности и долговечности материала. После минерализации смесь песка и гидрогеля становится достаточно прочной, чтобы ее можно было использовать в строительстве в качестве бетона или раствора.
Бактерии в самовоспроизводящемся бетоне реагируют на изменения влажности: они наиболее активны и размножаются быстрее всего в среде с влажностью 100%, хотя снижение до 50% не оказывает большого влияния на клеточную активность. Более низкая влажность приводит к получению более прочного материала, чем высокая влажность.
По мере размножения бактерий увеличивается их биоминерализация; это позволяет масштабировать производственные мощности в геометрической прогрессии.
Характеристики
По своим структурным свойствам этот материал аналогичен растворам на основе портландцемента: модуль упругости составляет 293,9 МПа, предел прочности на разрыв — 3,6 МПа (минимально требуемое значение для бетона на основе портландцемента составляет около 3,5 МПа); однако его энергия разрушения составляет 170 Н, что значительно меньше, чем у большинства стандартных бетонных составов, которые могут достигать нескольких кН.
Использует
Самовоспроизводящийся бетон может использоваться в различных приложениях и средах, но влияние влажности на свойства конечного материала (см. выше) означает, что применение материала должно быть адаптировано к его среде. Во влажных средах материал может использоваться для заполнения трещин на дорогах, стенах и тротуарах, просачиваясь в полости и превращаясь в твердую массу по мере застывания; в то время как в более сухих средах его можно использовать структурно из-за его повышенной прочности в средах с низкой влажностью.
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 не предназначен для замены стандартного бетона, а для создания нового класса материалов, сочетающих в себе прочность, экологические преимущества и биологическую функциональность.
Биоцемент на основе карбоната 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 центр зародышеобразования для осаждения CaCO3 на поверхности. Такие микроорганизмы, как Sporosarcina pasteurii, полезны в этом процессе, поскольку они создают высокощелочную среду, в которой растворенный неорганический углерод (DIC) присутствует в больших количествах. [неудачная проверка] Эти факторы имеют важное значение для микробиологически индуцированного осаждения кальцита (MICP), которое является основным механизмом, в котором образуется биобетон. Другие организмы, которые могут быть использованы 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 концентрация ионов кальция достаточно высока, микроорганизмы могут создавать такую среду посредством таких процессов, как уреолиз.
Достижения в области оптимизации методов использования микроорганизмов для ускорения осаждения карбонатов стремительно развиваются.
Характеристики
Биоцемент способен «самовосстанавливаться» благодаря бактериям, лактату кальция, азоту и фосфорным компонентам, которые смешаны с материалом. Эти компоненты способны оставаться активными в биоцементе до 200 лет. Биоцемент, как и любой другой бетон, может трескаться из-за внешних сил и напряжений. Однако, в отличие от обычного бетона, микроорганизмы в биоцементе могут прорастать при попадании в воду. Дождь может поставлять эту воду, которая является средой, в которой биоцемент окажется. После попадания в воду бактерии активизируются и питаются лактатом кальция, который был частью смеси. Этот процесс питания также потребляет кислород, который преобразует изначально водорастворимый лактат кальция в нерастворимый известняк. Затем этот известняк затвердевает на поверхности, на которой он лежит, что в данном случае является треснувшей областью, тем самым запечатывая трещину.
Кислород является одним из основных элементов, вызывающих коррозию в таких материалах, как металлы. Когда биоцемент используется в железобетонных конструкциях, микроорганизмы потребляют кислород, тем самым увеличивая коррозионную стойкость. Это свойство также обеспечивает водостойкость, поскольку оно фактически вызывает заживление и снижает общую коррозию. Для предотвращения коррозии используются заполнители из водного бетона, и они также могут быть переработаны. Существуют различные методы их формирования, такие как 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 мостовые в зданиях. Существуют также идеи биологических строительных конструкций. Использование биоцемента все еще не распространено, поскольку в настоящее время не существует осуществимого метода массового производства биоцемента в таких больших объемах. Также необходимо провести гораздо больше определенных испытаний, чтобы уверенно использовать биоцемент в таких масштабных областях, где механическая прочность не может быть поставлена под угрозу. Стоимость биоцемента также в два раза выше, чем обычного бетона. Однако различные области применения в более мелких областях включают распылительные штанги, шланги, линии подачи и пчелиные гнезда. Биоцемент все еще находится на стадии разработки, однако его потенциал оказывается многообещающим для его будущего использования.
Композиты мицелия
Композиты мицелия — это материалы, основанные на мицелии — массе разветвленных, нитевидных гиф, производимых грибами. Существует несколько способов синтеза и изготовления композитов мицелия, что обеспечивает различные свойства и варианты использования готового продукта. Композиты мицелия экономичны и устойчивы.
Синтез и изготовление
Композиты на основе мицелия обычно синтезируются с использованием различных видов грибов, особенно шампиньонов. Отдельный микроб грибов вводится в различные типы органических веществ для формирования композита. Выбор видов грибов важен для создания продукта с определенными свойствами. Некоторые виды грибов, которые используются для изготовления композитов, это G. lucidum, Ganoderma sp. P. ostretus, Pleurotus sp., T. versicolor, Trametes sp. и т. д. Плотная сеть образуется, когда мицелий микроба грибов разлагается и колонизирует органическое вещество. Растительные отходы являются обычным органическим субстратом, который используется в композитах на основе мицелия. Грибной мицелий инкубируется с отходами растений для получения устойчивых альтернатив, в основном для материалов на основе нефти. Мицелий и органический субстрат должны инкубироваться должным образом, и это время имеет решающее значение, поскольку это период, когда 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 основные питательные вещества, такие как углерод, минералы и воду из отходов растений. Некоторые из компонентов органического субстрата включают хлопок, пшеничное зерно, рисовую шелуху, сорго, сельскохозяйственные отходы, опилки, частицы хлеба, банановую кожуру, остатки кофе и т. д. Композиты синтезируются и изготавливаются с использованием различных методов, таких как добавление углеводов, изменение условий ферментации, использование различных технологий изготовления, изменение этапов постобработки и модификация генетики или биохимикатов для формирования продуктов с определенными свойствами. Изготовление большинства мицелиевых композитов осуществляется с использованием пластиковых форм, поэтому мицелий можно выращивать непосредственно в желаемой форме. Другие методы изготовления включают в себя ламинатную пленку, вакуумную пленку, стеклянную форму, фанерную форму, деревянную форму, форму для чашки Петри, плиточную форму и т. д. Во время процесса изготовления важно иметь стерилизованную среду, контролируемые условия среды света, температуру (25-35 °C) и влажность около 60-65% для достижения наилучших результатов. Один из способов синтеза композита на основе мицелия заключается в смешивании различных пропорций состава волокон, воды и мицелия и помещении их в формы из ПВХ слоями, сжимая каждый слой и давая им инкубироваться в течение нескольких дней. Композиты на основе мицелия могут быть переработаны в пену, ламинат и лист мицелия с использованием таких методов обработки, как последующая резка, холодное и тепловое сжатие и т. д. Композиты на основе мицелия имеют тенденцию поглощать воду, когда они только что изготовлены, поэтому это свойство можно изменить, высушив продукт в печи.
Характеристики
Одним из преимуществ использования композитов на основе мицелия является то, что свойства могут быть изменены в зависимости от процесса изготовления и использования различных грибов. Свойства зависят от типа используемых грибов и места их выращивания. Кроме того, грибы обладают способностью разлагать целлюлозный компонент растения, чтобы создавать композиты предпочтительным образом. 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. Чтобы увеличить прочность на растяжение, композит можно подвергнуть термическому прессованию. Свойства композита на основе мицелия зависят от его субстрата; например, композит на основе мицелия, изготовленный из 75% рисовой шелухи, имеет плотность 193 кг/м3, в то время как 75% зерен пшеницы имеет плотность 359 кг/м3. Другим методом увеличения плотности композита было бы удаление гена гидрофобина. Эти композиты также обладают способностью к самослиянию, что увеличивает их прочность. Композиты на основе мицелия обычно компактны, пористы, легки и являются хорошим изолятором. Главное свойство этих композитов заключается в том, что они полностью натуральные, поэтому устойчивые. Еще одним преимуществом композитов на основе мицелия является то, что это вещество действует как изолятор, является огнестойким, нетоксичным, водостойким, быстрорастущим и способным связываться с соседними продуктами мицелия. Пены на основе мицелия (MBF) и сэндвич-компоненты являются двумя распространенными типами композитов. MBF являются наиболее эффективным типом из-за их низкой плотности, высокого качества и устойчивости. Плотность MBF можно уменьшить, используя субстраты диаметром менее 2 мм. Эти композиты также обладают более высокой теплопроводностью.
Использует
Одним из наиболее распространенных применений композитов на основе мицелия является альтернатива материалам на основе нефти и полистирола. Эти синтетические пены обычно используются для экологически чистых продуктов дизайна и архитектуры. Использование композитов на основе мицелия основано на их свойствах. Существует несколько биоустойчивых компаний, таких как Ecovative Design LLC, MycoWorks, MyCoPlast и т. д., которые используют композиты на основе мицелия для изготовления защитной упаковки для электроники и продуктов питания, кирпичей, заменителей кожи, альтернатив для полов и акустической плитки, тепло- и звукоизоляции, строительных панелей и т. д. Свойство способности связываться с соседним композитом помогает композиту на основе мицелия образовывать прочные связи для кирпича, которые широко используются. Примером может служить Hy-Fi, 40-футовая башня в MoMA PS1 в Нью-Йорке, построенная с использованием 1000 кирпичей, изготовленных из стеблей кукурузы и мицелия. Этот продукт победил в ежегодном конкурсе Young Architects Program (YAP) в 2014 году. Есть также несколько других широко используемых продуктов, таких как лампы, кухонные принадлежности, потолочные панели, декоративные элементы, предметы моды, стулья и т. д., изготовленных из мицелия. В архитектуре композиты на основе мицелия широко используются, поскольку они обладают лучшими изоляционными характеристиками и огнестойкостью, чем используемые в настоящее время продукты. Мицелий все больше используется в промышленности для замены обычных пластиковых материалов, которые наносят вред окружающей среде. Эти продукты производятся с использованием низкоэнергетического, естественного производственного процесса и являются биоразлагаемыми.
Дальнейшие приложения
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.
Еще одно дополнительное применение включает в себя самосконструированный фундамент, который формируется в ответ на давление с помощью инженерных бактерий. Инженерные бактерии могут использоваться для обнаружения повышенного давления в почве, а затем цементировать частицы почвы на месте, эффективно укрепляя почву. В почве поровое давление состоит из двух факторов: величины приложенного напряжения и того, как быстро вода в почве может дренироваться. Путем анализа биологического поведения бактерий в ответ на нагрузку и механического поведения почвы можно создать вычислительную модель. С помощью этой модели определенные гены внутри бактерий могут быть идентифицированы и изменены для реагирования определенным образом на определенное давление. Однако бактерии, проанализированные в этом исследовании, были выращены в строго контролируемой лаборатории, поэтому реальные почвенные среды могут быть не такими идеальными. Это ограничение модели и исследования, из которого она возникла, но это все еще остается возможным применением живых строительных материалов.