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混凝土可自愈裂缝,还能再生?微生物助力建筑材料创新

编者按:

随着人们对微生物学和合成学技术的逐步了解,越来越多的创新生物材料开始进入市场。能自愈、不产生裂缝的“活”水泥?可再生的菌丝体绝缘板?科学家们正在将微生物引入建筑材料中。

今天我们特别介绍几家开发创新生物材料的初创公司,一起来看看这些神奇的创新生物材料吧!

① 微生物+合成生物学=新材料

人们越来越意识到建筑业造成的废物和污染,所以现在正在利用废物和微生物制造新的生物材料来解决这些生态问题。

美国 Evocative Design 公司的联合创始人兼业务拓展总监 Gavin McIntyre 表示:“在建筑中使用生物材料并不是一个新概念――木结构建筑物的建造史已有数千年。”该公司能够用蘑菇根系的菌丝体制造材料。

随着人们对微生物学和合成生物学技术的了解不断增加,创新生物材料正在逐步进入市场,如自愈混凝土、菌丝体绝缘材料、食物垃圾制成的硬纸板和人造珍珠母等等。

“新一代生物材料的独特之处在于它们是可调节的,我们现在可以在分子水平上创造具有独特性质的材料。”McIntyr 说。

虽然人们一直都对开发新型建筑生物材料很感兴趣,但建筑业较为保守,而且严重受价格驱动,这意味着人们接受生物材料的速度很慢。然而,随着消费者对可持续性的需求不断增加,提高了人们对这些创新材料的兴趣,这导致建筑材料的竞争环境更加激烈。

美国 Biomason 公司创始人兼首席执行官 Ginger Krieg Dosier 说:“建筑和建筑行业需要颠覆。”该公司主要通过低碳足迹的生物工艺生产水泥。

Ginger Krieg Dosier 还表示:“传统的波特兰水泥在 200 年的时间里都没有出现过锻炼。生物解决方案通过理解自然界的蓝图作为灵感,提供了一种新的制造方式。”

图.Biomason低碳足迹水泥砖

② 活混凝土:会自愈

混凝土是世界上应用最广泛的建筑材料之一。不论是以哪种形式,混凝土自古以来就一直存在。混凝土是由像石灰石和沙子这样的粗粒和细粒材料(称为骨料)与水泥这样的粘结材料结合而成的。

波特兰水泥(Portland cement)是由 Joseph Aspdin 发明的,并于 1824 年获得专利,它是以英国多塞特(Dorset)的波特兰岛(Isle of Portland)上的石头命名的。这种水泥是由细磨并加热的石灰石和粘土矿物,再加上石膏(石灰泥的一种成分)结合而成的,是至今为止使用最广泛的水泥形式。

Dosier 表示,水泥生产过程中存在一个严重的问题,就是它的污染非常严重,而且产量巨大,以至于水泥每年的碳排放量占全球的 8%,消耗了全球约 10%的饮用水。

混凝土通常是一种相当耐用的材料,但随着时间的流逝,它很容易裂开,特别是在潮湿的条件下,会腐蚀嵌入的钢筋,尤其是在水基结构中。它还容易受到极端温度、化学物质和天气侵蚀的破坏。

为了应对其中的一些负面影响,几家公司正在利用无害的极端细菌的力量,如巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina Pasteurii)和假丝芽孢杆菌(Bacillus Pseudoffus),来制造可以自愈混凝土。这些顽强的细菌自然存在于火山附近的极碱性湖泊中,可产生石灰岩。而且它们的孢子可以存活 200 年,并能承受 200℃ 以上的温度。

代尔夫特(Delft)大学的微生物学家 Hendrik Jonkers 决定进行实验,将这些细菌添加到标准的混凝土混合物中使其更稳定。这一系列举动最终促使荷兰公司 Green Basilisk 在 2015 年成立,并将相关产品推向了市场。

他们的产品名为 Basilisk,是普通混凝土的一种添加剂,里面含有细菌孢子。当它们接触到水时,细菌开始生长并产生石灰石,石灰石可以稳定结构,减少收缩,并使混凝土更加防水。

该公司市场营销和客户经理 Marc Brants 说:“我们可以将收缩增强材料减少 50%,这意味着,如果我们在混凝土中加入 5 公斤 Basilisk,每立方米就可以节省多达 30 公斤的燃料。”

Green Basilisk 公司花了一段时间才获得认证,但 Brants 表示,现在很多公司和组织都对这种生物材料的使用感兴趣。

“政府公司确实在推动承包商使用更环保的解决方案,我们看到他们真的在寻找这种创新,从我们的调查中也能看到这一点。

③ 混凝土砖:既可种,还可生?

Biomason 公司使用的微生物与 Green Basilisk 相似,但制造过程不同。该公司将含有尿素、氯化钙和细菌的溶液与废渣混合,形成模压瓷砖,然后在室温下完全固化,从而消除了生产过程中对高温和化石燃料的需求。

“受珊瑚礁和天然海洋水泥形成的启发,我产生了‘种混凝土砖’的想法,于是成立了这家公司。作为一名受过培训的正式建筑师,我的方法是使用设计思维、蛮力和迭代。”Dosier 说。

Wil Srubar 是美国科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)专注于建筑和新材料的副教授,同时也是美国建筑公司 Katerra 的高级材料主管,他和他的团队正在利用微生物提高混凝土的可持续性和耐久性。

为了实现这一目标,他们利用聚球藻属的Synechococcus cyanobacteria进行光合作用,这是一种广泛在于海洋环境中的单细胞生物。当细菌嵌入水凝胶和沙子支架模具中时,它们开始吸收二氧化碳和光线,从而在模具中形成混凝土般的结构。

Srubar 解释说:“我们使用合成生物学的工具来改善矿化,并帮助生物体提高在干燥条件下生存的能力。”

“我们的材料可以作为建筑材料应用于许多领域,包括固碳砂浆、建筑中的轻质混凝土、生物活性表面、临时救灾避难所或道路。”

当砖块变干时,细菌会进入停滞状态,但当暴露在温暖和潮湿的环境中时,细菌可能会再次活跃起来。从理论上讲,将一块砖切成两半,然后将每半块浸入原来的生物材料溶液中,就可以长出两块新的砖。

Srubar 说:“我们相信这种材料特别适合于资源稀缺的环境,比如沙漠或北极,甚至是其他星球上的人类居住区。”他最近成立了一家名为 Prometheus Materials 的初创公司,进一步开发这些创新的生物材料。

④ 可循环与菌丝体

另一种很有前途的建筑材料是菌丝体,它是蘑菇根部结构的一部分。这是总部位于英国的创业公司Biohm的关注点,该公司致力于为建筑业开发可持续和可生物降解的材料。

“我们希望尽可能节约资源,”该公司开发经理 Aaron Jones 表示,“我们的技术专注于利用农业或建筑业的垃圾,并试图再生这些材料,使它们变得有用。”

该公司的主导产品是菌丝体绝缘板,目前正在进行认证。菌丝体的一个关键优势是它可以在废弃的农产品上生长,并且是可生物降解的,它还含有甲壳素,这是一种天然的阻燃剂。

“如果你看看目前市场上的绝缘材料,你会发现有很多选择,主要是石化材料。所以,从最广泛的意义上说,由于它们是塑料,所以在它们生命的最后,它们将被埋在垃圾填埋场。”Jones 解释说。

“我们的想法建立在这种循环的理念上……如果我们要把废弃材料拿回来,我们可以把它分解,然后重新把它们做成我们所需的菌丝体板,这也是我们正在进行的实验。”

图.Biohm的菌丝体板

⑤ 神奇的蘑菇

另一家利用菌丝体制造生物材料的公司是美国的 Ecovative Design 公司。目前,该公司正在利用菌丝体将农业副产品结合在一起来制造包装,制造各种用途的蘑菇皮革和泡沫,最近还通过一种名为 Atlast Food 的衍生产品,推广利用特色蘑菇制造的肉类替代品。

值得注意的是,Ecovative 公司也曾为建筑行业开发隔热泡沫,但后来由于未透露的原因离开了这一领域。这可能与缺乏行业认可有关,这也是 Biohm 公司正在处理的问题。

“在建筑行业中,仅仅是克服先前存在的偏见和绝缘板的已有概念可能是一个挑战。”Jones 说,“人们会问很多问题,比如‘它会开始在我的墙壁上生长吗?’‘它会开始吃我的房子吗?’”

Biohm 还在研究和开发新产品,包括利用食物垃圾(如橘子皮)制造硬纸板或中密度纤维板。

“我们测试了几种不同的东西,比如咖啡糠、可可壳和柑橘皮。我们不希望木板本身有过高的营养含量,因为我们不希望它被害虫吃掉。”Jones 说。

“柑橘皮非常结实,它赋予了木板一种不同的质地,可以使木板尽可能坚固,尽可能与中等密度纤维板等产品相抗衡。”

图.Ecovative公司的菌丝灯

⑥ 未来的生物建筑

在公司向建筑业出售生物材料之前,还需要克服几个挑战。首先,大多数国家都要求进行独立认证以符合安全法规。这可能需要相当长的时间和努力才能实现,具体取决于所在的国家。

“我们的产品花了大约三到四年的时间才获得认证,”Brants 说,“特别是对于大型项目,承包商不想参与创新,因为他们必须承担责任,所以这是非常重要的第一步。现在我们的产品获得了认证,我们看到各种细分市场都出现了有趣的增长。”

另一个问题是扩大规模。通常情况下,在小规模范围内制造新材料要容易得多,而缩小从小规模到大规模生产之间的差距可能是一项挑战。

沟通也是关键。建筑行业的一个大问题就是让消费者接受创新的生物材料。定价也可能存在问题,因为建筑行业在很大程度上受成本驱动。如果新材料比现有材料更贵,就不太可能被购买。

Brants 说,Green Basilisk 公司正在通过证明该产品的寿命来应对这一挑战。“有了自我修复技术,你可以确保更长的保质期和更少的维护。因此,对于终端用户来说,这已经是盈亏平衡了,但是我们也想为承包商创造一个商业案例,通过省去防水膜或特殊涂层以及减少钢材,我们最终可能可以成为一个成功的商业案例。”他强调说。

Srubar 说,他和他的团队创造的材料的优势之一是价格,他们的设计可以与普通混凝土直接竞争。“(可持续建筑)材料与传统材料相比,必须具有成本竞争力,因为建筑是一个商品市场。”他解释说。

尽管面临这些挑战,但全球范围内关于全球变暖和污染的讨论已经使许多人意识到让工业变得更加绿色和更可持续的重要性。

这已经对建筑行业的公司产生了积极影响,因为大型建筑项目背后的组织希望它们更环保、更可持续。

“人们意识到,如果我们在未来 10 到 20 年里不走向更可持续的商业和循环经济,那么我们就会产生更多的垃圾,而垃圾填埋场将会越来越快地被填满,”Jones 说,“这是一个问题,像这样(生物材料)的实践和技术将会解决这个问题。”

原文链接:https://www.labiotech.eu/in-depth/biomaterials-building-industry-sustainable/

作者|HELEN ALBERT

编译|7464

审校|617