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Lebender Beton mit Bakterien und Sand

Lebendiges Material

Dieses Foto zeigt grüne photosynthetische Cyanobakterien, die im Sand-Hydrogel-Gerüst wachsen und mineralisieren. Das lebende Material hat eine ähnliche Festigkeit wie Zementmörtel. Kredit: Hochschule für Technik und angewandte Wissenschaft an der Colorado University Boulder

Zement und Beton haben sich in über hundert Jahren nicht viel als Technologie verändert, aber Forscher in Colorado revolutionieren Baumaterialien, indem sie sie buchstäblich zum Leben erwecken. Die entwickelte Methode wurde am 15. Januar 2020 in der Zeitschrift vorgestellt Angelegenheitkombiniert Sand und Bakterien, um ein lebendes Material zu bilden, das eine strukturelle tragende und biologische Funktion hat.

Das Team schuf ein Gerüst aus Sand und Hydrogel, in das die Bakterien hineinwachsen können. Das Hydrogel speichert Feuchtigkeit und Nährstoffe, damit sich die Bakterien vermehren und mineralisieren können. Dieser Vorgang ähnelt der Bildung von Muscheln im Ozean. Die Forscher kombinierten die drei und schufen ein grünes lebendes Material, das eine ähnliche Festigkeit wie Zementmörtel aufweist.

„Wir verwenden photosynthetische Cyanobakterien, um das Gerüst zu biomineralisieren, sodass es tatsächlich sehr grün ist. Es sieht aus wie ein Material vom Typ Frankenstein “, sagt der leitende Autor Wil Srubar, der das Living Materials Laboratory an der University of Colorado Boulder leitet. “Genau das versuchen wir zu schaffen – etwas, das am Leben bleibt.”

Lebendes Material Sand Hydrogel Framework

Dieses Foto zeigt grüne photosynthetische Cyanobakterien, die im Sand-Hydrogel-Gerüst wachsen und mineralisieren. Das lebende Material hat eine ähnliche Festigkeit wie Zementmörtel. Kredit: Hochschule für Technik und angewandte Wissenschaft an der Colorado University Boulder

Der Hydrogel-Sandstein lebt nicht nur, sondern vermehrt sich auch. Durch Aufteilen des Ziegels in zwei Hälften können die Bakterien mit Hilfe von zusätzlichem Sand, Hydrogel und Nährstoffen zu zwei vollständigen Ziegeln wachsen. Anstatt die Steine ​​einzeln herzustellen, zeigten Srubar und sein Team, dass ein Elternstein nach drei Generationen bis zu acht Steine ​​reproduzieren kann.

“Was uns wirklich begeistert, ist, dass dies die konventionellen Methoden zur Herstellung von Baustoffen in Frage stellt”, sagt Srubar. “Es zeigt wirklich die Fähigkeit der exponentiellen Materialherstellung.”

Beton ist nach Wasser das am zweithäufigsten verbrauchte Material auf der Erde. Die Herstellung von Zement, dem Pulver zur Herstellung von Beton, ist allein für 6 Prozent der CO2-Emissionen verantwortlich, und Beton setzt beim Aushärten auch CO2 frei. Die von Srubar und seinem Team entwickelte Methode bietet eine umweltfreundliche Alternative zu modernen Baumaterialien. Es gibt jedoch einen Kompromiss mit diesem grünen Material.

Der Ziegel muss vollständig getrocknet sein, um die maximale strukturelle Kapazität (d. H. Festigkeit) zu erreichen, aber gleichzeitig belastet das Trocknen die Bakterien und beeinträchtigt seine Lebensfähigkeit. Um die strukturelle Funktion aufrechtzuerhalten und die Überlebensfähigkeit der Mikroben sicherzustellen, ist das Konzept der optimalen relativen Luftfeuchtigkeit und Lagerbedingungen von entscheidender Bedeutung. Mithilfe der Luftfeuchtigkeit und Temperatur als physikalische Schalter können die Forscher steuern, wann die Bakterien wachsen und wann das Material ruht, um strukturelle Funktionen zu erfüllen.

„Dies ist eine Materialplattform, die die Voraussetzungen für brandneue, aufregende Materialien schafft, die so konstruiert werden können, dass sie interagieren und auf ihre Umgebung reagieren können“, sagt Srubar. „Wir versuchen nur, Baumaterialien zum Leben zu erwecken, und ich denke, das ist das Nugget in dieser ganzen Sache. Wir kratzen nur an der Oberfläche und legen den Grundstein für eine neue Disziplin. Der Himmel ist die Grenze.”

Der nächste Schritt für Srubar und sein Team besteht darin, die zahlreichen Anwendungen zu erkunden, die die Materialplattform bietet. Srubar beabsichtigt, Bakterien mit unterschiedlichen Funktionen in die Materialplattform einzuführen, um neue Materialien mit biologischen Funktionen zu schaffen, beispielsweise solche, die Giftstoffe in der Luft erfassen und darauf reagieren. Andere Anwendungen umfassen Gebäudestrukturen mit begrenzten Ressourcen wie der Wüste oder sogar einem anderen Planeten.Mars.

„In rauen Umgebungen würden diese Materialien besonders gut funktionieren, da sie Sonnenlicht verwenden, um zu wachsen und sich mit sehr wenig exogenem Material zu vermehren, das für ihr Wachstum benötigt wird“, sagt Srubar. “Es wird auf die eine oder andere Weise passieren, und wir werden keine Zementsäcke bis zum Mars transportieren. Ich denke wirklich, dass wir Biologie mitbringen werden, wenn wir gehen. “

Referenz: „Biomineralisierung und sukzessive Regeneration von technischen Baumaterialien“ von Chelsea M. Heveran, Sarah L. Williams, Jishen Qiu, Juliana Artier, Mija H. Hubler, Sherri M. Cook, Jeffrey C. Cameron und Wil V. Srubar III , 15. Januar 2020, Angelegenheit.
DOI: 10.1016 / j.matt.2019.11.016

Die abgebildete Arbeit wird von der Defense Advanced Research Projects Agency gesponsert.