受生物启发的“防冻剂”配方可提供更耐用的混凝土

这张图片显示了与聚合物分子结合的冰晶如何经历动态的冰形变化，从球形变成圆形的六边形，研究人员称其为“柠檬冰”。

混凝土是现代基础设施中使用最丰富，最耐用的建筑材料之一，但它具有冰弱之处，会导致其崩溃和剥落。现在，受在零度以下环境中生存的生物的启发，科罗拉多州的研究人员正在将具有抗冻能力的聚合物分子引入混凝土中。该方法测试新混凝土是否可以阻止冻结和解冻造成的损坏，该方法发表在2020年5月27日的《细胞报告物理科学》杂志上。

混凝土是具有毛细孔的多孔材料，可让水渗透到材料中。对于温度波动较大的地方，混凝土道路和建筑物会经历“冻融循环”。水在材料内部冻结并膨胀，随着冰晶的生长而积聚压力，最终使混凝土表面弹出。研究人员发现，聚乙二醇-接枝-聚乙烯醇（PEG-PVA）分子似乎使冰晶保持较小并阻止其聚结成更大的晶体。

此图显示了具有仿生防冻聚合物的混凝土在冻融后没有任何剥落迹象。

科罗拉多大学博尔德分校生活材料实验室负责人，资深作家威尔·斯鲁巴尔（Wil Srubar）说：“我们特别激动，因为这代表了与70多年传统混凝土技术的背离。”“我们认为，这是朝着正确方向迈出的一大步，并为全新的外加剂技术打开了大门。”

70多年来，减轻冻融破坏的主要方法是在混凝土内部放入微小的气泡，这些气泡充当泄压阀，被称为引气剂。但是，将微小的气泡放入混凝土中不仅会降低材料的强度，而且会使材料更加多孔，就像高速公路一样，使更多的水和其他有害物质（如盐）进入。该团队没有解决冰膨胀的症状，而是决定针对冰毒的来源：冰晶的生长。

此图显示了具有仿生防冻聚合物的混凝土在30次冻融循环后如何没有剥落迹象

抗冻蛋白存在于可在零度以下环境中生存的生物中，它们会与冰晶结合以抑制其生长，否则会对生物造成致命危害。受蛋白质的启发，研究小组将模仿蛋白质性质的聚合物分子引入了混凝土混合物中。这些分子有效地减少了90％的冰晶尺寸。新的混凝土混合物还经受住了300次冻融循环并保持了强度。

尽管新混凝土通过了行业标准测试，但仍存在关于在实际应用中该材料的真正长期回弹力及其经济可行性的疑问。该团队的下一步是通过确定更具成本效益的新分子并测试该分子与不同混凝土配方的相容性来优化其方法。Srubar说：“制作混凝土就像烤蛋糕一样，”他希望混凝土配方可以从这种新型添加剂中受益。

Srubar说：“在接下来的30年中，世界将每35天建造一个纽约市，这真是惊人。”“这意味着我们将要建造许多建筑物和道路，并且我们将使用大量混凝土。因为它对环境有重大影响，所以我们真正制作的混凝土确实必须尽可能地可持续和持久。”

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参考：Shane D. Frazier，Mohammad G. Matar，Jorge Osio-Norgaard，Anastasia N.Aday，Elizabeth A. Delesky和Wil V. Srubar III，“模仿自然界的防冻剂来抑制水泥浆和混凝土的冻融破坏”，5月27日。 2020年，细胞报告物理科学.DOI：
10.1016 / j.xcrp.2020.100060

这项工作得到了美国国家科学基金会和美国国家公路合作研究计划的支持。