Naukowcy odkryli, jak przedłużyć żywotność wszechobecnego materiału budowlanego. Dzięki wykorzystaniu enzymu znajdującego się w czerwonych krwinkach, beton zyskał zdolność do regeneracji pęknięć. Nowy materiał jest czterokrotnie trwalszy niż tradycyjny beton, co może przedłużyć żywotność opartych na nim konstrukcji, eliminując konieczność kosztownych napraw.
Naukowcy z Worcester Polytechnic Institute (WPI) zainspirowani ludzkim organizmem opracowali samoleczący się beton. Nowy materiał budowlany wykorzystuje enzym, który automatycznie reaguje z atmosferycznym dwutlenkiem węgla (CO2), tworząc kryształy węglanu wapnia. Te pod względem struktury, wytrzymałości i innych właściwości naśladują beton i mogą wypełniać powstałe z czasem pęknięcia.
Rezultaty badań ukazały się na łamach pisma „Applied Materials Today” (DOI: 10.1016/j.apmt.2021.101035).
Beton jest najczęściej używanym materiałem budowlanym wytwarzanym przez człowieka. Jest kluczowym składnikiem niemal każdej konstrukcji, od mostów po wieżowce, domy rodzinne, chodniki czy garaże. Ale materiał ten jest podatny na pęknięcia, które mogą pojawić się pod wpływem wody, zmian termicznych, naprężeń, wad konstrukcyjnych i innych czynników, jak chociażby sól sypana na drogi w zimie, które mogą prowadzić do utraty integralności strukturalnej i konieczności kosztownych napraw lub wymian.
- Globalne zastosowanie betonu jest wszechobecne – powiedział Nima Rahbar, główny autor publikacji. - Jeśli drobne pęknięcia mogłyby być automatycznie naprawiane, nie przekształcą się w większe problemy wymagające naprawy lub wymiany. Brzmi to jak science-fiction, ale jest to prawdziwe rozwiązanie poważnego problemu w branży budowlanej – dodał.
Nie jest to pierwszy rodzaj samoregenerującego się betonu. Naukowcy na całym świecie od lat pracują nad udoskonaleniem tego materiału budowlanego. Ich wysiłki doprowadziły do powstania podobnych, samoleczących się materiałów, ale autorzy nowego rozwiązania uważają, że ich beton ma wiele zalet w porównaniu z innymi metodami, w większości opartymi na bakteriach.
Naukowcy z WPI w swoim betonie wykorzystali enzymy z grupy anhydraz węglanowych (CA). Znajdują się one m.in. w czerwonych krwinkach i odpowiadają za transport dwutlenku węgla do krwiobiegu. Enzymy CA działają w nowym betonie jak katalizator, sprawiając, że w kontakcie z atmosferycznym CO2 tworzą się kryształy węglanu wapnia, których struktura jest podobna do betonu. Kiedy w betonie tworzą się małe pęknięcia, enzymy znajdujące się w betonie wchodzą w reakcję z CO2 w powietrzu, wypełniając szczelinę kryształami węglanu wapnia.
- Przyglądnęliśmy się naturze, aby znaleźć to, co wyzwala najszybszy transfer CO2 i są to enzymy. Ponieważ enzymy w naszym organizmie reagują niesamowicie szybko, mogą być wykorzystywane jako skuteczny mechanizm naprawy i wzmacniania konstrukcji betonowych – powiedział Rahbar, który od pięciu lat prowadzi badania nad samoregenerującym się betonem.
Opracowany materiał można także zastosować do naprawy tradycyjnego betonu. Proces, który opatentował Rahbar, może wyleczyć pęknięcia w skali milimetrowej w ciągu 24 godzin. Rahbar przewiduje, że samonaprawiający się beton może przedłużyć żywotność konstrukcji z np. 20 lat do 80 lat.
Wcześniejsze prace innych grup badawczych koncentrowały się na dodawaniu do mieszanki drobnoustrojów, które wytwarzają enzymy o podobnych właściwościach. Rahbar zdecydował się na bezpośrednie stosowanie enzymów zamiast bakterii, zauważając, że bakterie są droższe i działają wolniej – zagojenie 10-mikronowego pęknięcia trwa nawet miesiąc. Nowy beton jest również bezpieczny, bezwonny i w porównaniu z betonem z wkładem bakteryjnym i pozwala uniknąć niepewności, co do potencjalnych zagrożeń dla zdrowia związanych z długotrwałym przebywaniem w otoczeniu takiego materiału.
Nowy beton ma jeszcze jedną zaletę. Ten tradycyjny w znaczący sposób przyczynia się do emisji CO2, co przyczynia się do zmiany klimatu. Według raportu Chatham House z 2018 r., każdego roku produkuje się ponad 4 miliardy ton cementu, co odpowiada za około 8 procent globalnej emisji CO2. Wydłużenie jego żywotności mogłoby ograniczyć szkodliwe dla środowiska emisje na całym świecie.
Źródło: Worcester Polytechnic Institute, fot. Rehbar et al, 2021
