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荷兰生物学家发明细菌水泥

2021-02-19 10:59 作者:美高美官网 点击:

  混凝土出现裂缝最大的问题在于漏水,水会从裂缝里穿过,流到地下室和车库里。此外,如果这些水沾到了钢筋,导致后者被腐蚀,那么就可能出现倒塌。荷兰发明了生物混凝土,这种材料可以利用细菌来自我修复。这种生物混凝土在混合时和普通混凝土一样,但会加入一种额外的原料,也就是“修复剂”。

  据外媒报道,水泥墙随着使用时间的增加会出现裂缝,不仅修补相当麻烦,还会造成安全隐患。而近日,荷兰代尔夫特理工大学微生物学家约恩克发明出了一种可自我修复的水泥,可防止水泥墙出现裂缝。

  报道称,约恩克通过混合生活在活火山附近的细菌、水泥及乳酸钙,当水泥裂开时,只要有雨水进入裂缝,就能“唤醒”细菌,它们吸收乳酸钙后,会分泌出石灰岩,平均3周内就能修复裂缝。

  据悉,这种细菌可耐高低温,而且其休眠期长达200年,足够长期修复大部分建筑物的水泥外墙。报道还指出,加入这种细菌的液体,更可直接喷洒到裂开的水泥表面。水泥修复细菌可对任何长度的裂缝发挥作用,但宽度不能超过0.8毫米,否则作用会大打折扣。

  约恩克计划在2015年就推出这种水泥修补液体,2016年再推出修补水泥。

  英国纽卡斯尔大学研究人员研制出新型的混凝土“胶”,能补缀混凝土结构的裂缝,修复受地震损害或年久恶化的建筑物。这种“胶”不是黏合剂,也不是某种合成材料;而是研究人员有针对性地设计的一种转基因细菌,它们进入混凝土的裂缝内,会进入到空穴深处,在此生成细菌胶与碳酸钙的混合物,变硬后与周围混凝土的强度相当。

  研究人员叫它“BacillaFilla”,它是枯草杆菌的改基因版。而枯草杆菌在普通的土壤中通常就能发现,研究人员改变了它的基因特性,做到只有处在混凝土独特的酸碱度环境下,细菌才开始发育生长。它们还被规划成一旦生长,细胞会尽可能深地进入到混凝土的裂缝中,而当细菌在这里累积到足够数量时,它们还会感受得到。

  细菌的积聚,让细菌认识到已到达裂缝的最深部分,在这里细胞开始发育菌丝,生成碳酸钙,并分泌一种细菌胶将周围的一切固定。一旦硬化之后,细菌原则上与混凝土本身一样的牢固,恢复了混凝土结构的强度,延长了周围混凝土的寿命。

  更奇妙的是,这种细菌还包含一种自毁的基因,它不会远离自己的混凝土目标而无序地增殖。这很重要,如果细菌越出范围继续生长、无法制止的话,也是一件烦人的事。研究人员表示,建造混凝土结构往往要付出昂贵的环境代价,希望BacillaFilla能延长混凝土结构的寿命,也是对环境的保护。它也能部署到经历过地震的区域,在短时间内加固被损坏的建筑物,尽量减少灾后必须拆除的结构的数量。

  研究人员发现可以利用巴斯德细菌将在地震中容易变动的沙土变成更加稳定的地面——只需将尿素、沙土和钙混合在一起,并注入一点该细菌即可。这种微生物以尿素为食,并排解出方解石,可将沙土黏合在一起,将流沙变成沙岩。

  混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料,自从古罗马人在大约2000年前用混凝土建造了万神庙起,我们就一直在寻找让混凝土更耐久的方法。不管混合和加固得多好,所有的混凝土最终还会出现裂缝,而在某些情况下,这些裂缝会导致建筑倒塌。

  荷兰代尔夫特理工大学的微生物学教授Henk Jonkers解释说:“混凝土出现裂缝最大的问题在于漏水,水会从裂缝里穿过,流到地下室和车库里。此外,如果这些水沾到了钢筋,导致后者被腐蚀,那么就可能出现倒塌。” 不过Jonkers想到了一个全新的方法,来延长混凝土的寿命,他说:“我们发明了生物混凝土,这种材料可以利用细菌来自我修复。”这种生物混凝土在混合时和普通混凝土一样,但会加入一种额外的原料,也就是“修复剂”。它在混合的时候保持完整,只有在混凝土出现裂缝并有水渗入时才会溶解。

  Jonkers从2006年起就开始研究这种特殊的混凝土,他花了三年想出了解决办法,然而这中间也遇到了许多困难。他说:“需要找到能在混凝土这种极端环境下生存的细菌,因为混凝土类似于岩石材料,非常干燥。”混凝土碱性极强,而这些“修复”细菌需要休眠多年才会被水激活。 Jonkers选择了杆菌来完成这个任务,因为它们在碱性条件下生长良好,并可以产生芽孢,能在没有食物和氧气的条件下存在数十年。Jonkers说:“接下来的挑战是让这些细菌不仅能在混凝土里生存,还要产生修复物质,也就是石灰石。”

  杆菌需要食物才能产生石灰石,糖是一种选择,然而把糖加进混凝土中会使之变得软而不结实。最终,Jonkers选择了乳酸钙,并把这种物质和杆菌一起包在用可降解塑料制成的胶囊中,然后在制作混凝土时加入胶囊。 当混凝土最终出现裂缝,水渗入就会将胶囊溶解。之后细菌就会繁殖并以乳酸为食,在这一过程中,钙离子和碳酸根离子就会结合形成碳酸钙也就是石灰石,将裂缝封住。

  Jonkers希望他的混凝土能够开启生物建筑的新时代,他说:“这是自然与建筑材料的结合,自然免费给我们提供了许多有用的东西。如果我们可以将它用到材料中,会受益良多,因此我认为这是一个很好的例子,是一个将自然和建筑环境相结合的新理念。”

  用人工方法对废弃核工厂中受放射性污染的建筑进行清理,不仅成本高、工序复杂,而且也会危害操作人员的健康。英国和美国研究人员认为,一种吃混凝土的细菌,有可能为清除建筑物所受核污染提供一种更为安全的新手段。

  据英国报道,英国核燃料有限公司和美国爱达荷国家工程和环境实验室,过去四年中一直在进行用细菌清除建筑物核污染新技术的开发。两家研究单位已基本完成该技术的实验室研究工作,正计划近期在英国坎布里亚郡一座核材料加工厂对其进行实地清污测试.

  新技术采用的是一种氧化硫杆菌,这种爱吃混凝土的细菌据认为是很多建筑物和桥梁遭侵蚀的罪魁祸首。氧化硫杆菌以混凝土中含硫的化合物为食,并会将其转化为稀硫酸而进一步侵蚀混凝土。

  英、美科学家在研究中利用了该细菌的这一特性,同时在此基础上进行了新的开发,以方便实际清污操作。科学家首先将该细菌与含硫物混合,随后向其中加入少量纤维素增稠剂,结果形成一种粘稠的黄色凝胶。这样可很方便地向待清理混凝土建筑物表面喷涂。

  另外,新技术在实际操作过程中还需采用增湿器对凝胶进行处理,促使细菌更有效增殖,并不断产生硫酸对混凝土进行清理。

  当建筑物表面受污染部分被基本清理干净时,只需让凝胶自行干燥,不仅会彻底杀灭氧化硫杆菌、防止其继续侵蚀已清洁的建筑物,而且凝胶干燥脱落后,也很容易收集含放射性物质的碎屑。这些脱落成分最终可很方便地与核废料一起进行掩埋等处理。

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