未來的建築物可以用骨頭和蛋殼製成嗎?

未來的建築物可以用骨頭和蛋殼製成嗎?

隨著世界的努力 氣候變化,我們迫切需要找到減少二氧化碳排放量的方法。 嚴重依賴化石燃料的行業,例如能源和 航空,通常被認為是最嚴重的罪犯。 但是,大多數人沒有意識到的是,還有另一個罪魁禍首,躲藏在視線之外。 在我們城市的街道上以及我們生活和工作的建築物中。

僅在2007中, 鋼材和混凝土 與整個全球航空業相比,它們各自造成的二氧化碳排放量更多。 在到達施工現場之前,鋼鐵和水泥都必須在非常高的溫度下進行處理-這會消耗大量能量。 那麼當這些“臟”材料在建築中起著至關重要的作用時,我們如何減少對它們的依賴呢?

一種選擇是使用天然材料,例如木材。 人們一直在用木頭建造 幾千年來,而木結構是 目前正在復蘇 –部分是因為它是一種廉價且可持續的材料。

但是有一些 用木頭建造的缺點; 該材料在潮濕條件下會翹曲,並且容易受到諸如白蟻等害蟲的攻擊。 儘管從環境的角度來看,木材等天然材料具有吸引力,但對於可能希望將部件製造成特定形狀或尺寸的工程師而言,它們可能並不令人滿意。

複製生活

那麼,如果不是製造天然材料而是使用受自然啟發的新材料呢? 隨著1970的發展,這個想法開始在1990的研究社區中引起人們的注意,並在XNUMX中真正爆發。 納米技術和納米製造方法。 如今,它已成為科學研究新領域的基礎:即“仿生生物” –實際上就是“複製生命”。

生物細胞通常被稱為“生活的基礎”,因為它們是生物的最小單位。 但是,要創建像您或我這樣的多細胞生物,細胞必須與支持結構聚集成在一起,以形成我們製成的生物材料,例如骨骼,軟骨和肌肉等組織。 像這樣的材料,對仿生技術感興趣的科學家已經從中尋求靈感。

為了製造仿生材料,我們需要對天然材料的工作原理有深刻的了解。 我們知道,天然材料也是“複合材料”:它們由多種不同的基礎材料製成,每種材料具有不同的特性。 複合材料通常比諸如金屬的單組分材料輕,同時仍具有所需的特性,例如剛度,強度和韌性。


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製作仿生材料

材料工程師花費了數十年的時間來測量天然材料(例如骨頭和蛋殼)的組成,結構和性能,因此我們現在對它們的特性有了很好的了解。

例如,我們知道骨骼由水合蛋白質和礦物質組成,比例幾乎相等。 礦物賦予硬度和硬度,而蛋白質賦予韌性和抗斷裂性。 儘管骨頭會折斷,但它相對稀少,而且它們具有以下優點: 自愈 –工程師試圖將仿生材料引入的另一個功能。

蛋殼像骨頭一樣,是一種複合材料,但它的礦物質含量約為95%,而水合蛋白質僅為5%。 然而,考慮到它的薄薄程度,即使是少量的蛋白質也足以使蛋殼變得非常堅硬-正如大多數早餐廚師會注意到的那樣。 下一個挑戰是將這些知識變成紮實的東西。

有兩種模擬天然材料的方法。 您可以模仿材料本身的組成,也可以復製材料的製造過程。 由於天然材料是由生物製成的,因此這兩種方法都不會涉及高溫。 因此,仿生材料(我們稱其為“新骨”和“新蛋殼”)比鋼或混凝土消耗的能源要少得多。

在實驗室裡,我們成功地 厘米尺度的樣本 新骨。 為此,我們準備了具有骨骼礦物質成分的蛋白質不同溶液。 然後在人體溫度下以仿生方式從這些溶液中沉積新骨複合材料。 沒有理由不將該過程或其改進,更快的版本擴展到工業水平。

當然,鋼和混凝土無處不在,因此針對這些材料優化了我們設計和建造建築物的方式。 要開始大規模使用仿生材料,我們需要完全重新考慮建築材料的建築規範和標準。 但是,如果我們想以可持續的方式建設未來的城市,也許正是需要進行重大的重新思考。 科學還處於起步階段,但這並不意味著我們不能對未來抱有很大的夢想。

關於作者

劍橋大學生物工程專業的讀者Michelle Oyen

這篇文章最初出現在談話

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