Kun maailma kovaa ilmastonmuutos, meidän on pikaisesti löydettävä tapoja vähentää hiilidioksidipäästöjämme? päästöt. Alat, jotka riippuvat voimakkaasti fossiilisista polttoaineista, kuten energiasta ja ilmailu, pidetään yleensä pahimpana rikoksentekijänä. Mutta mitä useimmat ihmiset eivät ymmärrä, on olemassa toinen syyllinen, joka piiloutuu näkyvään näkyyn; kaupunkiemme kaduilla ja rakennuksissa, joissa elämme ja työskentelemme.

Pelkästään 2007: ssä, teräs ja betoni olivatko kukin vastuussa suuremmasta hiilidioksidipäästöstä? päästöt kuin koko maailman lentoteollisuus. Sekä teräs että sementti on ennen rakennustyömaalle saapumista työstettävä erittäin korkeissa lämpötiloissa – ja tämä vie paljon energiaa. Joten kuinka voimme vähentää riippuvuuttamme näistä "likaisista" materiaaleista, kun niillä on niin tärkeä rooli rakentamisessa?

Yksi vaihtoehto on käyttää luonnollisia materiaaleja, kuten puuta. Ihmiset ovat rakentaneet puuta varten tuhansia vuosia, ja puurakenteet ovat tällä hetkellä pieni elpyminen - osittain siksi, että se on halpaa ja kestävää materiaalia.

Mutta on joitain haitat puurakentamisessa; materiaali voi vääntyä kosteissa olosuhteissa ja on alttiina tuholaisille, kuten termiiteille. Ja vaikka luonnonmateriaalit, kuten puu, ovat houkuttelevia ympäristön kannalta, ne voivat olla epätyydyttäviä insinööreille, jotka saattavat haluta tehdä komponentteja tietyn muodon tai koon.

Kopioi elämä

Joten entä jos valmistamme luonnollisia materiaaleja niiden löytämisen sijaan, luomme uusia materiaaleja, jotka ovat luonnon innoittamia? Tämä ajatus alkoi kiinnittyä 1970: n tutkimusyhteisöön ja räjähti todella 1990: ssä kehittäessään nanoteknologia ja nanokäsittelymenetelmät. Nykyään se muodostaa perustan uudelle tieteelliselle tutkimusalueelle: ”biomimeetit” - kirjaimellisesti ”elämän kopiointi”.

Biologisiin soluihin viitataan usein nimellä ”elämän rakennuspalikoita”, Koska ne ovat elävän aineen pienimmät yksiköt. Mutta sinä tai minä kaltaisen monisoluisen organismin luomiseksi solujen on ryppyjä yhdessä tukirakenteen kanssa, jotta muodostuu biologisia materiaaleja, joista olemme tehneet, kudoksiin, kuten luu, rusto ja lihakset. Se on tällainen materiaali, johon biomimetiikasta kiinnostuneet tutkijat ovat hakeneet inspiraatiota.

Biomimeettisten materiaalien valmistamiseksi meillä on oltava syvä ymmärrys siitä, miten luonnolliset materiaalit toimivat. Tiedämme, että luonnolliset materiaalit ovat myös ”komposiitteja”: ne on valmistettu useasta eri perusmateriaalista, joilla jokaisella on erilaiset ominaisuudet. Komposiittimateriaalit ovat usein kevyempiä kuin yksikomponenttimateriaalit, kuten metallit, mutta niillä on silti toivottavia ominaisuuksia, kuten jäykkyys, lujuus ja sitkeys.

Biomimeettisten materiaalien valmistus

Materiaalinsinöörit ovat vuosikymmenien ajan mitattaneet luonnollisten materiaalien, kuten luun ja munankuoren, koostumusta, rakennetta ja ominaisuuksia, joten meillä on nyt hyvä käsitys niiden ominaisuuksista.

Esimerkiksi, tiedämme, että luu koostuu hydratoidusta proteiinista ja mineraalista, melkein yhtä suuressa osassa. Mineraali antaa jäykkyyden ja kovuuden, kun taas proteiini antaa sitkeyttä ja murtumistenkestävyyttä. Vaikka luut voivat rikkoutua, se on suhteellisen harvinaista, ja niiden etuna on itsekorjautumiskokeille - toinen ominaisuus, jonka insinöörit yrittävät tuoda biomimeettisiin materiaaleihin.

Kuten luu, munankuori on komposiittimateriaali, mutta se on noin 95% mineraali ja vain 5% hydratoitu proteiini. Silti pieni määrä proteiinia riittää tekemään munankuoresta erittäin kovan, kun otetaan huomioon sen ohuus - kuten useimmat aamiaiskokit ovat huomanneet. Seuraava haaste on muuttaa tämä tieto jotain vankkaa.

Luonnollisia materiaaleja voi matkia kahdella tavalla. Voit joko jäljitellä itse materiaalin koostumusta tai kopioida prosessin, jolla materiaali on valmistettu. Koska luonnolliset materiaalit ovat elävien olentojen valmistamia, kumpaankaan näistä menetelmistä ei käytetä korkeita lämpötiloja. Sellaisenaan biomimeettiset materiaalit - kutsutaan niitä ”neo-luuksi” ja “neo-munankuoreksi” - vievät paljon vähemmän energiaa tuottamaan kuin teräs tai betoni.

Laboratoriossa olemme onnistuneet tekemään senttimetrinäytteet uusluu. Teemme tämän valmistamalla erilaisia ​​proteiiniliuoksia komponenteilla, jotka tekevät luusta mineraaleja. Yhdistetty neo-luumateriaali kerrostetaan sitten näistä liuoksista biomimeettisellä tavalla ruumiinlämpötilassa. Ei ole mitään syytä siihen, että tätä prosessia - tai sen parannettua, nopeampaa versiota - ei voitu skaalata teollisuustasolle.

Terästä ja betonia on tietysti kaikkialla, joten rakennusten suunnittelu ja rakentaminen on optimoitu näille materiaaleille. Jotta voimme aloittaa biomimeettisten materiaalien käytön laajassa mitassa, meidän on harkittava täysin rakennusmääräyksiämme ja rakennusmateriaalistandardejamme. Mutta sitten, jos haluamme rakentaa tulevia kaupunkeja kestävällä tavalla, ehkä suuri tarkistus on juuri se, mitä tarvitaan. Tiede on vielä alkuvaiheessa, mutta se ei tarkoita, että emme voi uneksia suurista tulevaisuudesta.