Żywy materiał budowlany
Żywy materiał budowlany (LBM) to materiał stosowany w budownictwie lub wzornictwie przemysłowym , który zachowuje się w sposób przypominający żywy organizm . Przykłady obejmują: samonaprawiający się biocement, samoreplikujący zamiennik betonu i kompozyty na bazie grzybni do budownictwa i opakowań . Projekty artystyczne obejmują elementy budowlane i artykuły gospodarstwa domowego.
Historia
Rozwój żywych materiałów budowlanych rozpoczął się od badań nad metodami mineralizacji betonu, inspirowanymi mineralizacją koralowców . Zastosowanie mikrobiologicznie indukowanego wytrącania kalcytu (MICP) w betonie zostało zapoczątkowane przez Adolphe i in. w 1990 roku jako sposób nanoszenia powłoki ochronnej na elewacje budynków .
Ecovative Design , będąca pochodną badań przeprowadzonych w Rensselaer Polytechnic Institute , wprowadziła „Greensulate”, materiał do izolacji budynków na bazie grzybni . Kompozyty grzybni zostały później opracowane do pakowania , pochłaniania dźwięku i konstrukcyjnych materiałów budowlanych, takich jak cegły .
W Wielkiej Brytanii projekt Materials for Life (M4L) powstał na Uniwersytecie w Cardiff w 2013 r., aby „stworzyć zabudowane środowisko i infrastrukturę, które są zrównoważonym i odpornym systemem składającym się z materiałów i konstrukcji, które nieustannie monitorują, regulują, dostosowują się i naprawiają bez potrzeba interwencji z zewnątrz”. M4L doprowadził do pierwszych prób betonu samonaprawiającego się w Wielkiej Brytanii. W 2017 roku projekt rozszerzył się do konsorcjum kierowanego przez uniwersytety w Cardiff, Cambridge , Bath i Bradford , zmieniając nazwę na Resilient Materials 4 Life (RM4L) i otrzymując fundusze od Rady ds. Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi . To konsorcjum koncentruje się na czterech aspektach inżynierii materiałowej: samonaprawianiu pęknięć w wielu skalach; samoleczenie uszkodzeń zależnych od czasu i obciążeń cyklicznych; autodiagnostyka i leczenie uszkodzeń chemicznych; oraz autodiagnostykę i szczepienia przeciwko uszkodzeniom fizycznym.
W 2016 roku Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych (DARPA) uruchomiła program Engineered Living Materials (ELM). Celem tego programu jest „opracowanie narzędzi i metod projektowania, które umożliwiają inżynierię cech konstrukcyjnych w systemach komórkowych, które funkcjonują jako żywe materiały, otwierając w ten sposób nową przestrzeń projektową dla technologii budowlanych… [i] zweryfikować te nowe metody poprzez produkcję żywych materiałów, które mogą się rozmnażać, samoorganizować i samoleczyć”. W 2017 roku program ELM zlecił Ecovative Design wyprodukowanie „żywego hybrydowego kompozytowego materiału budowlanego… [w celu] genetycznego przeprogramowania tego żywego materiału z responsywną funkcjonalnością [taką jak] naprawa ran… [i] szybkie ponowne użycie i ponowne wdrożenie [ten] materiał w nowe kształty, formy i zastosowania”. W 2020 roku grupa badawcza przy ul University of Colorado , finansowany z grantu ELM, opublikował artykuł po pomyślnym stworzeniu wykładniczo regenerującego się betonu.
Beton samoreplikujący się
Beton samoreplikujący się jest wytwarzany przy użyciu mieszaniny piasku i hydrożelu , które są wykorzystywane jako pożywka do wzrostu bakterii synechococcus .
Synteza i produkcja
Mieszanka piasku i hydrożelu, z której wykonany jest samoreplikujący się beton, ma niższe pH , niższą siłę jonową i niższe temperatury utwardzania niż typowa mieszanka betonowa , dzięki czemu może służyć jako pożywka dla bakterii. Gdy bakterie się rozmnażają, rozprzestrzeniają się w podłożu i biomineralizują je za pomocą węglanu wapnia , który jest głównym czynnikiem wpływającym na ogólną wytrzymałość i trwałość materiału. Po mineralizacji mieszanka piaskowo-hydrożelowa jest wystarczająco mocna, aby można ją było stosować w budownictwie, jako beton lub zaprawa .
Bakterie w samoreplikującym się betonie reagują na zmiany wilgotności : są najbardziej aktywne - i rozmnażają się najszybciej - w środowisku o wilgotności 100%, choć spadek do 50% nie ma dużego wpływu na aktywność komórkową. Niższa wilgotność skutkuje mocniejszym materiałem niż wysoka wilgotność.
W miarę rozmnażania się bakterii wzrasta ich aktywność biomineralizacji; pozwala to na wykładnicze skalowanie zdolności produkcyjnych.
Nieruchomości
Właściwości konstrukcyjne tego materiału są zbliżone do zapraw na bazie cementu portlandzkiego : moduł sprężystości wynosi 293,9 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie 3,6 MPa (minimalna wymagana wartość dla betonu na bazie cementu portlandzkiego to ok. 3,5 MPa); jednak ma energię pękania 170 N, czyli znacznie mniej niż większość standardowych mieszanek betonowych, które mogą osiągnąć nawet kilka kN.
Używa
Beton samoreplikujący się może być używany w różnych zastosowaniach i środowiskach, ale wpływ wilgoci na właściwości materiału końcowego (patrz powyżej ) oznacza, że zastosowanie materiału musi być dostosowane do środowiska. W wilgotnym środowisku materiał może być używany do wypełniania pęknięć w drogach , ścianach i chodnikach, wnikając do ubytków i utwardzając się w stałą masę; podczas gdy w bardziej suchych środowiskach może być stosowany konstrukcyjnie, ze względu na zwiększoną wytrzymałość w środowiskach o niskiej wilgotności.
W przeciwieństwie do tradycyjnego betonu, którego produkcja uwalnia do atmosfery ogromne ilości dwutlenku węgla , bakterie użyte w samoreplikującym się betonie pochłaniają dwutlenek węgla, co skutkuje niższym śladem węglowym .
Ten samoreplikujący się beton nie ma na celu zastąpienia standardowego betonu, ale stworzenie nowej klasy materiałów, łączących wytrzymałość, korzyści ekologiczne i funkcjonalność biologiczną.
Biocement z węglanu wapnia
Biocement to materiał z kruszywa piaskowego wytwarzany w procesie mikrobiologicznie indukowanego wytrącania kalcytu (MICP). Jest to przyjazny dla środowiska , który można wytwarzać z różnych surowców , od odpadów rolniczych po odpady kopalniane .
Synteza i produkcja
Mikroskopijne organizmy są kluczowym składnikiem w tworzeniu biobetonu, ponieważ zapewniają miejsce zarodkowania CaCO 3 do wytrącania się na powierzchni. Mikroorganizmy, takie jak Sporosarcina pasteurii , są przydatne w tym procesie, ponieważ tworzą wysoce alkaliczne środowiska, w których występuje rozpuszczony węgiel nieorganiczny (DIC) w dużych ilościach. [ nieudana weryfikacja ] Czynniki te są niezbędne do mikrobiologicznego wytrącania się kalcytu (MICP), który jest głównym mechanizmem powstawania biobetonu. Inne organizmy, które można wykorzystać do wywołania tego procesu, obejmują fotosyntetyzujące , takie jak mikroalgi , cyjanobakterie i bakterie redukujące siarczany (SRB), takie jak Desulfovibrio desulfuricans .
Zarodkowanie węglanu wapnia zależy od czterech głównych czynników:
- Stężenie wapnia
- stężenie DIC
- poziomy pH
- Dostępność miejsc zarodkowania
Dopóki stężenie jonów wapnia jest wystarczająco wysokie, mikroorganizmy mogą tworzyć takie środowisko poprzez procesy takie jak ureoliza.
Szybko rozwijają się postępy w optymalizacji metod wykorzystania mikroorganizmów w celu ułatwienia wytrącania węglanów.
Nieruchomości
Biocement jest w stanie „samoleczyć” dzięki bakteriom, mleczanowi wapnia, azotowi i składnikom fosforu, które są zmieszane z materiałem. Składniki te mają zdolność pozostawania aktywnym w biocemencie nawet przez 200 lat. Biocement, jak każdy inny beton, może pękać pod wpływem sił zewnętrznych i naprężeń. Jednak w przeciwieństwie do zwykłego betonu mikroorganizmy w biocemencie mogą kiełkować po wprowadzeniu do wody. Deszcz może dostarczać tę wodę, która jest środowiskiem, w którym znalazłby się biocement. Po wprowadzeniu do wody bakterie aktywują się i odżywiają się mleczanem wapnia, który był częścią mieszanki. Ten proces karmienia zużywa również tlen, który przekształca pierwotnie rozpuszczalny w wodzie mleczan wapnia w nierozpuszczalny wapień. Ten wapień następnie krzepnie na powierzchni, na której leży, którą w tym przypadku jest obszar spękany, uszczelniając w ten sposób pęknięcie.
Tlen jest jednym z głównych pierwiastków powodujących korozję materiałów takich jak metale. Kiedy biocement jest stosowany w stalowych konstrukcjach żelbetowych, mikroorganizmy zużywają tlen, zwiększając w ten sposób odporność na korozję. Ta właściwość pozwala również na wodoodporność, ponieważ faktycznie indukuje gojenie i zmniejsza ogólną korozję. Kruszywa z betonu wodnego są stosowane w celu zapobiegania korozji i mają również zdolność do recyklingu. Istnieją różne metody ich formowania, takie jak kruszenie lub mielenie biocementu.
Przepuszczalność biocementu jest również wyższa w porównaniu do zwykłego cementu. Wynika to z większej porowatości biocementu. Większa porowatość może prowadzić do większej propagacji pęknięć pod wpływem wystarczająco dużych sił. Biocement składa się obecnie w około 20% ze środka samonaprawiającego. Zmniejsza to jego wytrzymałość mechaniczną. Wytrzymałość mechaniczna biobetonu jest o około 25% słabsza niż zwykłego betonu, przez co jego wytrzymałość na ściskanie jest niższa. Organizmy takie jak Pesudomonas aeruginosa są skuteczne w tworzeniu biocementu. Przebywanie w pobliżu ludzi jest niebezpieczne, dlatego należy ich unikać.
Używa
Biocement jest obecnie stosowany w zastosowaniach takich jak chodniki i chodniki w budynkach. Istnieją również idee biologicznych konstrukcji budowlanych. Zastosowania biocementu wciąż nie są rozpowszechnione, ponieważ obecnie nie ma wykonalnej metody masowej produkcji biocementu w tak dużym stopniu. Istnieje również wiele bardziej szczegółowych testów, które należy przeprowadzić, aby z pewnością stosować biocement w zastosowaniach na tak dużą skalę, w których wytrzymałość mechaniczna nie może zostać naruszona. Koszt biocementu jest również dwukrotnie wyższy niż zwykłego betonu. Różne zastosowania w mniejszych zastosowaniach obejmują jednak listwy natryskowe, węże, linie kroplujące i gniazdowanie pszczół. Biocement jest wciąż w fazie rozwoju, jednak jego potencjał okazuje się obiecujący dla przyszłych zastosowań.
Kompozyty grzybni
Kompozyty grzybni to materiały bazujące na grzybni – masie rozgałęzionych, nitkowatych strzępek wytwarzanych przez grzyby . Istnieje kilka sposobów syntezy i wytwarzania kompozytów grzybni, które nadają różnym właściwościom i przypadkom użycia produktu końcowego. Kompozyty grzybni są ekonomiczne i trwałe .
Synteza i produkcja
Kompozyty na bazie grzybni są zwykle syntetyzowane przy użyciu różnych rodzajów grzybów , zwłaszcza grzybów . Pojedynczy drobnoustrój grzybów jest wprowadzany do różnych rodzajów substancji organicznych w celu utworzenia kompozytu. Dobór gatunków grzybów jest istotny dla stworzenia produktu o określonych właściwościach. Niektóre gatunki grzybów wykorzystywane do wytwarzania kompozytów to G. lucidum, Ganoderma sp. P. ostretus, Pleurotus sp., T. versicolor, Trametes sp ., itp. Gęsta sieć powstaje, gdy grzybnia drobnoustroju grzybów degraduje i kolonizuje substancję organiczną. Odpady roślinne są powszechnym substratem organicznym stosowanym w kompozytach na bazie grzybni. Grzybnia grzybów jest inkubowana z odpadami roślinnymi w celu wytworzenia zrównoważonych alternatyw, głównie dla ropy naftowej materiały na bazie. Grzybnia i substrat organiczny potrzebne do prawidłowej inkubacji, a ten czas jest kluczowy, ponieważ jest to okres, w którym te cząstki oddziałują ze sobą i wiążą się w jedną, tworząc gęstą sieć, a tym samym tworząc kompozyt. Podczas tego okresu inkubacji grzybnia wykorzystuje niezbędne składniki odżywcze, takie jak węgiel, minerały i wodę z odpadów roślinnych. Niektóre składniki podłoża organicznego obejmują bawełnę, ziarno pszenicy, łuskę ryżu, włókno sorgo, odpady rolnicze, trociny, cząsteczki chleba, skórkę banana, pozostałości kawy itp. Kompozyty są syntetyzowane i wytwarzane przy użyciu różnych technik, takich jak dodawanie węglowodanów, zmiana procesu fermentacji warunkach, stosując różne technologie wytwarzania, zmieniając etapy post-processingu i modyfikując genetyka lub biochemicznych w celu wytworzenia produktów o określonych właściwościach. Wytwarzanie większości kompozytów grzybni odbywa się przy użyciu plastikowych form, dzięki czemu grzybnię można wyhodować bezpośrednio do pożądanego kształtu. Inne metody produkcji obejmują laminatową formę skórkową, próżniową formę skórkową, formę szklaną, formę ze sklejki, formę drewnianą, formę do szalek Petriego, formę do płytek itp. Podczas procesu produkcyjnego niezbędne jest wysterylizowane środowisko, kontrolowane warunki środowiska światła, temperatury (25-35°C) i wilgotności około 60-65%, aby uzyskać najlepsze rezultaty. Jednym ze sposobów syntezy kompozytu na bazie grzybni jest mieszanie różnych proporcji składu włókien, wody i grzybni razem i umieszczanie w formach PVC warstwami, jednocześnie ściskając każdą warstwę i pozwalając jej inkubować przez kilka dni. Kompozyty na bazie grzybni mogą być przetwarzane na piankę, laminat i arkusz grzybni przy użyciu technik przetwarzania, takich jak cięcie ostatnie, kompresja na zimno i ciepło itp. Kompozyty grzybni mają tendencję do wchłaniania wody, gdy są nowo wytwarzane, dlatego tę właściwość można zmienić przez suszenie w piecu produkt.
Nieruchomości
Jedną z zalet stosowania kompozytów na bazie grzybni jest możliwość zmiany właściwości w zależności od procesu wytwarzania i zastosowania różnych grzybów. Właściwości zależą od rodzaju użytego grzyba i miejsca jego uprawy. Ponadto grzyby mają zdolność rozkładania celulozowego składnika rośliny w celu tworzenia kompozytów w preferowany sposób. Niektóre ważne właściwości mechaniczne, takie jak wytrzymałość na ściskanie, morfologia, wytrzymałość na rozciąganie, hydrofobowość i wytrzymałość na zginanie, można również modyfikować dla różnych zastosowań kompozytu. Aby zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie, kompozyt można poddać prasowaniu termicznemu. Na właściwości kompozytu grzybni wpływa jego podłoże; na przykład kompozyt grzybni wykonany z 75% wag. łusek ryżowych ma gęstość 193 kg/m 3 , podczas gdy ziarna pszenicy o zawartości 75% wag. mają 359 kg/m 3 . Inną metodą zwiększenia gęstości kompozytu byłaby delecja genu hydrofobiny. Kompozyty te posiadają również zdolność samofuzji, co zwiększa ich wytrzymałość. Kompozyty na bazie grzybni są zazwyczaj zwarte, porowate, lekkie i dobrze izolują. Główną właściwością tych kompozytów jest to, że są całkowicie naturalne, a zatem trwałe. Kolejną zaletą kompozytów na bazie grzybni jest to, że substancja ta działa jak izolator, jest ognioodporna, nietoksyczna, wodoodporna, szybko rosnąca i zdolna do wiązania się z sąsiednimi produktami grzybni. Pianki na bazie grzybni (MBF) i komponenty kanapkowe to dwa popularne rodzaje kompozytów. MBF są najbardziej wydajnym typem ze względu na ich właściwości o niskiej gęstości, wysoką jakość i trwałość. Gęstość MBF można zmniejszyć, stosując podłoża o średnicy mniejszej niż 2 mm. Kompozyty te mają również wyższą przewodność cieplną.
Używa
Jednym z najczęstszych zastosowań kompozytów na bazie grzybni są alternatywy dla materiałów na bazie ropy naftowej i polistyrenu . Te syntetyczne pianki są zwykle używane w zrównoważonych produktach projektowych i architektonicznych. Zastosowanie kompozytów na bazie grzybni opiera się na ich właściwościach. Istnieje kilka firm zajmujących się zrównoważonym rozwojem biologicznym, takich jak Ecovative Design LLC , MycoWorks , MyCoPlast itp. wykorzystujące kompozyty na bazie grzybni do produkcji ochronnych opakowań dla elektroniki i żywności, cegieł, zamienników skóry, zamienników podłóg i płytek akustycznych, izolacji termicznych i akustycznych, paneli konstrukcyjnych itp. Właściwość łączenia się z sąsiednimi kompozyt pomaga kompozytowi na bazie grzybni w tworzeniu silnych wiązań w cegle, które są szeroko stosowane. Przykładem jest Hy-Fi, 40-metrowa wieża w MoMA PS1 w Nowym Jorku, wykonany przy użyciu 1000 cegieł zrobionych z łodyg kukurydzy i grzybni. Ten produkt wygrał doroczny konkurs Young Architects Program (YAP) w 2014 roku. Istnieje również kilka innych powszechnie używanych produktów, takich jak lampy, przybory kuchenne, panele sufitowe, artykuły dekoracyjne, artykuły modowe, krzesła itp. Wykonane z grzybni. W architekturze kompozyty na bazie grzybni są szeroko stosowane, ponieważ mają lepsze właściwości izolacyjne i ognioodporność niż obecnie stosowane produkty. Grzybnia jest coraz częściej wykorzystywana w przemyśle w celu zastąpienia powszechnych tworzyw sztucznych, które szkodzą środowisku. Produkty te są wytwarzane przy użyciu niskoenergetycznego, naturalnego procesu produkcyjnego i są biodegradowalne.
Dalsze zastosowania
Poza wykorzystaniem żywych materiałów budowlanych, zastosowanie mikrobiologicznego wytrącania węglanu wapnia (MICP) może pomóc w usuwaniu zanieczyszczeń ze ścieków, gleby i powietrza. Obecnie metale ciężkie i jądra promieniotwórcze stanowią wyzwanie do usunięcia ze źródeł wody i gleby. Jądra promieniotwórcze w wodach gruntowych nie reagują na tradycyjne metody pompowania i uzdatniania wody, aw przypadku metali ciężkich zanieczyszczających glebę metody usuwania obejmują fitoremediację i wymywanie chemiczne; jednak te zabiegi są drogie, brakuje im długowieczności w skuteczności i mogą zniszczyć produktywność gleby do przyszłych zastosowań. Wykorzystując bakterie ureolityczne, które są zdolne do CaCO 3 opady, zanieczyszczenia mogą przedostawać się do struktury kalcytu, usuwając je z gleby lub wody. Działa to poprzez zastąpienie jonów wapnia zanieczyszczeniami, które następnie tworzą cząstki stałe i można je usunąć. Podaje się, że 95% tych cząstek stałych można usunąć za pomocą bakterii ureolitycznych. Jednak w przypadku osadzania się wapnia w rurociągach nie można stosować MICP, ponieważ jest on oparty na wapniu. Zamiast wapnia można dodać mocznik w niskim stężeniu, aby usunąć do 90% jonów wapnia.
Inne dalsze zastosowanie obejmuje samodzielnie skonstruowany fundament, który tworzy się w odpowiedzi na nacisk dzięki zastosowaniu bakterii inżynieryjnych. Zmodyfikowane bakterie można wykorzystać do wykrywania zwiększonego ciśnienia w glebie, a następnie cementowania cząstek gleby na miejscu, skutecznie zestalając glebę. W glebie ciśnienie porowe składa się z dwóch czynników: wielkości zastosowanego naprężenia i szybkości odpływu wody z gleby. Dzięki analizie biologicznego zachowania bakterii w odpowiedzi na obciążenie oraz mechanicznego zachowania gleby można stworzyć model obliczeniowy. Dzięki temu modelowi pewne geny w bakteriach można zidentyfikować i zmodyfikować, aby reagowały w określony sposób na określone ciśnienie. Jednak bakterie analizowane w tym badaniu były hodowane w wysoce kontrolowanym laboratorium, więc rzeczywiste środowisko glebowe może nie być tak idealne. Jest to ograniczenie modelu i badań, z których się wywodzi, ale nadal pozostaje możliwym zastosowaniem żywych materiałów budowlanych.