Badacze z University of Colorado opracowali materiał budowlany, który... żyje. Jest to mieszanina piasku i cyjanobakterii oraz kilku innych składników. Nowy materiał może rozrastać się i sam naprawiać pęknięcia, a przy tym ma znacznie mniejszy ślad węglowy. Co więcej, może się „rozmnażać”. Uczeni wykazali, że z jednej cegły macierzystej można uzyskać do ośmiu cegieł w trzech pokoleniach.
Produkcja cementu i betonu niewiele się zmieniła przez ostatnie sto lat. Praca badaczy z Kolorado jest na tym polu czymś zupełnie nowym. Opracowana przez nich metoda, przedstawiona na łamach czasopisma „Matter”, łączy piasek i bakterie, w efekcie czego powstaje żywy materiał o strukturalnej nośności i funkcji biologicznej.
- Używamy już materiałów biologicznych w naszych budynkach, jak chociażby drewno, ale materiały te już nie żyją. Dlaczego jednak nie można utrzymać ich przy życiu i pozwolić, aby biologia również zrobiła coś pożytecznego? - powiedział Wil Srubar, jeden z autorów publikacji oraz szef Living Materials Laboratory na University of Colorado, Boulder.
Autorzy publikacji przyznali, że „żywe” budynki nie są jedynie melodią odległej przyszłości. Możliwości opracowanej przez nich technologii, przede wszystkim do utrzymywania bakterii przy życiu, mają kilka zalet, których obecnie stosowane w budownictwie technologie nie są wstanie zapewnić. Struktury stworzony przy wykorzystaniu żyjących materiałów mogą pewnego dnia zasklepiać własne pęknięcia czy zassać niebezpieczne toksyny z powietrza.
Opracowany przez inżynierów materiał ma rusztowanie z piasku i hydrożelu. Hydrożel zatrzymuje wilgoć i składniki odżywcze, aby bakterie mogły się namnażać i mineralizować - proces podobny do tworzenia muszli w oceanie. Łącząc cyjanobakterie, hydrożel oraz piasek, naukowcy stworzyli żywy materiał, który wykazuje podobną wytrzymałość jak zaprawa cementowa.
Badacze eksperymentowali z cyjanobakteriami należącymi do rodzaju Synechococcus. W odpowiednich warunkach te drobnoustroje absorbują dwutlenek węgla, co stymuluje ich wzrost. Wytwarzają przy tym węglan wapnia, który jest jednym ze składników przy produkcji betonu i cementu.
- Używamy fotosyntetycznych cyjanobakterii do biomineralizacji rusztowania. To coś na kształt materiał typu Frankensteina, ale właśnie to staramy się stworzyć - coś, co pozostaje przy życiu – zaznaczył Srubar.
Materiał opracowany przez amerykańskich naukowców jest nie tylko żywym materiałem budowlanym, ale może się także regenerować. Dzieląc cegłę z takiego materiału na pół, dodając hydrożel, piasek, składniki odżywcze i wodę, bakterie mogą wyrosnąć na dwie kompletne cegły. Srubar i jego zespół wykazali, że jedna cegła macierzysta może odtworzyć do ośmiu cegieł w trzech pokoleniach.
- Jesteśmy podekscytowani tym, że podważa to konwencjonalne sposoby produkcji materiałów budowlanych. To naprawdę pokazuje możliwości wykładniczej produkcji materiałów – podkreślił Srubar
Cegła z żywego materiału musi być całkowicie wysuszona, aby osiągnąć maksymalną wytrzymałość. Jednak suszenie pogarsza żywotność cyjanobakterii. Aby zachować funkcję strukturalną i zapewnić przeżywalność drobnoustrojów, kluczowe znaczenie ma koncepcja optymalnej wilgotności i warunków przechowywania. Wykorzystując wilgotność i temperaturę, badacze mogą kontrolować, kiedy bakterie rosną, a kiedy materiał pozostaje w stanie uśpienia, aby spełniać funkcje strukturalne.
- Jest to platforma materiałowa, która przygotowuje grunt pod nowe ekscytujące materiały, które można zaprojektować tak, aby współpracowały i reagowały na otoczenie. Próbujemy po prostu ożywić materiały budowlane. Kładziemy podwaliny nowej dyscypliny – powiedział Srubar.
Kolejnym krokiem dla Srubara i jego zespołu jest zbadanie licznych aplikacji, które przynosi wspomniana przez niego platforma materiałowa. Srubar przewiduje wprowadzenie bakterii o różnych funkcjach w celu stworzenia nowych materiałów o funkcjach biologicznych, takich jak chociażby materiały, które wykrywają i reagują na toksyny w powietrzu. Inne zastosowania obejmują budowanie struktur w miejscach, w których zasoby są ograniczone, takie jak pustynia lub nawet inna planeta – Mars.
- W surowym środowisku materiały te byłyby szczególnie dobre, ponieważ wykorzystują światło słoneczne do wzrostu i namnażania przy bardzo małej ilości egzogennego materiału potrzebnego do ich wzrostu. Nie trzeba będzie wozić worków cementu aż na Marsa – wyjaśnił Srubar.
Rozwiązanie stworzone przez kalifornijskich badaczy jest także ekologiczne. Światowa produkcja cementu i betonu na potrzeby budownictwa generuje prawie sześć proc. rocznych emisji dwutlenku węgla. Jako dodatkowy bonus, takie cegły faktycznie usuwałyby dwutlenek węgla z powietrza, wykorzystując go do wzrostu.
Źródło: University of Colorado, Boulder, Cell Press, fot. College of Engineering and Applied Science at Colorado University Boulder
