用细菌和沙子设计的活混凝土

这张照片显示了绿色的光合作用蓝细菌在沙子-水凝胶骨架中生长和矿化。活性材料具有与水泥基砂浆相似的强度。

一百年来，水泥和混凝土的技术变化不大，但是科罗拉多州的研究人员正在通过将它们真正地带入生活来革新建筑材料。该方法于2020年1月15日发表在《物质》杂志上，结合了沙子和细菌，以构建具有结构承载力和生物功能的生物材料。

该团队用沙子和水凝胶制成了一个支架，以使细菌得以生长。水凝胶保留了水分和养分，以使细菌繁殖和矿化，其过程类似于在海洋中形成贝壳。研究人员将这三者结合在一起，创造了一种绿色的生活材料，其强度与水泥基砂浆相似。

“我们使用光合作用的蓝细菌对支架进行生物矿化，因此它实际上是绿色的。它看起来像是科学怪人类型的材料，”科罗拉多大学博尔德分校生活材料实验室负责人威尔·斯鲁巴尔（Wil Srubar）说。“这正是我们正在尝试创建的东西-可以继续存在的东西。”

这张照片显示了绿色的光合作用蓝细菌在沙子-水凝胶骨架中生长和矿化。活性材料具有与水泥基砂浆相似的强度。

水凝胶砂砖不仅活着，而且还能繁殖。通过将砖块切成两半，细菌可以在一些额外的沙子，水凝胶和营养物质的帮助下成长为两块完整的砖块。Srubar和他的团队并没有一一制造砖，而是证明了一块母砖可以在三代之后最多繁殖八块砖。

“我们真正感到兴奋的是，这挑战了我们制造结构建筑材料的传统方式，” Srubar说。“它确实证明了指数材料制造的能力。”

混凝土是仅次于水的地球上第二大消耗材料。水泥生产（用于制造混凝土的粉末）仅占6％的CO2排放量，混凝土固化后也会释放CO2。Srubar及其团队开发的方法为现代建筑材料提供了绿色替代方案。但是，要对这种绿色材料进行权衡。

砖需要完全干燥以获得最大的结构能力（即强度），但是同时，干燥会给细菌带来压力并损害其生存能力。为了维持结构功能并确保微生物生存能力，最佳相对湿度和储存条件的概念至关重要。利用湿度和温度作为物理开关，研究人员可以控制细菌何时生长以及何时该材料保持休眠以发挥结构功能。

Srubar说：“这是一个材料平台，为全新的令人兴奋的材料奠定了基础，这些材料可以进行工程设计以交互并响应其环境。”“我们只是在尝试使建筑材料栩栩如生，我认为这是整个过程的核心。我们只是在摸索表面，并奠定了新学科的基础。天空才是极限。”

Srubar和他的团队的下一步是探索材料平台带来的众多应用程序。Srubar设想将具有不同功能的细菌引入材料平台，以创建具有生物学功能的新材料，例如能够感知和响应空气中毒素的材料。其他应用包括资源匮乏的建筑结构，例如沙漠，甚至另一个星球-火星。

Srubar说：“在严酷的环境中，这些材料的性能特别好，因为它们利用来自太阳的光来生长和扩散，而所需的外源材料却很少。”“这将以一种或另一种方式发生，而且我们不会一直将水泥袋运到火星。我确实确实认为，一旦我们去，我们将带动生物学。”

参考：切尔西·M·赫韦兰（Chelsea M. Heveran），莎拉·威廉姆斯（Sarah L. Williams），邱吉申，朱莉安娜·阿迪耶（Juliana Artier），米哈·哈伯勒（Mija H.Hubler），谢里·M·库克（Sherri M. Cook），杰弗里·卡梅伦（Jeffrey C. 2020年1月，物质.DOI：
10.1016 / j.matt.2019.11.016

所描述的工作是由国防高级研究计划局赞助的。