生物制造让建筑更有“生命力”
混凝土 科技日报 2023-09-19
近年来，3D打印、绿色屋顶、太阳能电池板、地热供暖和制冷系统，以及可持续材料的使用，大大减少了建筑对环境的负面影响，提高了能源利用效率。而生物制造，则有望成为可持续建筑技术领域的“后起之秀”。
生物制造涉及利用经过基因改造的微生物生产拥有先进性能的产品。与建筑技术中使用的传统方法相比，这种创新工艺可以带来更可持续的建材，更有效地维护建筑安全。美国《福布斯》网站在8日的报道中，向人们介绍了生物制造技术的新风潮，这种技术有望赋予建筑物更持久的“生命力”。
混凝土能自我修复
大部分建筑物是由钢筋混凝土建造而成。混凝土是一种复合材料，由细骨料和粗骨料与随时间硬化（固化）的水泥浆黏合在一起形成。随着时间的推移，混凝土会变得容易破裂，这不仅影响其美观，还会危及其强度。而混凝土也是有寿命的，日积月累，混凝土内部会产生复杂的应力作用，撕裂其内部结构，产生裂缝。
材料科学最近取得了一些进展，有望带来能自行修复的混凝土，对建筑行业来说，这不啻为一个“福音”。在自修复混凝土中，微生物受到营养物质的刺激，会促进自身的生长和代谢活动。这些生物体产生的酶催化反应，最终会形成能愈合裂缝的物质。
例如，荷兰代尔夫特理工大学教授亨德里克·容克斯发现了一种杆菌——芽孢杆菌。这种杆菌可以在石灰石内生存，也就是说具备生活在混凝土中的能力，并且可以产生孢子。孢子在缺水状态下休眠，一旦混凝土出现了裂缝，接触到空气和水，孢子就会激活，随即开始生长，生成大量的菌丝进行裂缝填补。这种生物混凝土能在大约3周时间内愈合最多0.5毫米宽的裂缝，大大延长了建筑物的使用寿命。
目前这项技术已经研发出3种产品：自愈混凝土、修补水泥砂浆和修复液。这项技术可以用于建造军用和民用机场的跑道，这些跑道会随着时间的推移而磨损。
美国伍斯特理工学院的研究人员则在红细胞中发现了一种酶，该酶与二氧化碳反应可以产生碳酸钙晶体，让混凝土自我修复。在他们的实验中，经过一天之后，3毫米的裂缝和1.5毫米的小洞都复原如初。
研究指出，未来如果这种微生物修复技术能够成功应用于桥梁、隧道和道路建设等工程领域，每年有望节省数十亿美元的维修费用。而且这种自修复生物材料对混凝土结构修复而言，也具有划时代的意义。
硅藻可用于水泥制造
水泥广泛应用于各种建筑内。当干燥的成分与水反应时，水泥就会变成黏合剂，保护硬化材料免受化学侵蚀。但水泥行业也是二氧化碳排放大户，水泥制造商通过碳捕获和封存技术来减少二氧化碳排放，提高能源效率和建筑寿命。
生物制造可用于为水泥开发添加剂。例如，将硅藻用于建筑中，以增强水泥的力学和流变特性。硅藻是最早在地球上出现的一种单细胞藻类生物，生存在海水或湖水中，形体极为微小，常常以惊人的速度生长繁殖。硅藻具有多孔二氧化硅细胞壁，可用于水泥内以提高材料的强度。
此外，科学家还可以对硅藻进行基因改造，创造出其他有价值的产品。不过，生物制造技术在将硅藻用于水泥产业时，还需要克服成本问题。
利用生物为建筑“把脉”
结构健康监测技术是近年来新兴的一种对建筑物或构筑物进行常规“体检”和“健康”监测的重要手段，主要方法就是利用智能传感仪器，例如应变传感器、裂纹检测器、振动和测压计等，对建筑物或构筑物结构进行实时监测、动态管理和趋势研判。
微生物可以动态地感知和响应不同的环境条件，科学家指出，对生物进行基因改造，可以让其“变身”为生物传感器，报告建筑物的特定情况。这为结构健康监测提供了新思路。
美国特拉华大学在混凝土内发现了一些细菌，包括弓形杆菌属、杂色纯洁杆菌、嗜碱盐水球菌等，这些细菌似乎都跟降解反应有关。研究团队指出，假设能够监测诸如建筑物和桥梁等混凝土结构中的这些细菌，那么有朝一日可能会将其用作倒塌风险的早期预警系统。
此外，借助生物制造技术，还可以定制微生物，利用合成生物学精确调整建筑工程的材料等。不过，目前将合成微生物引入建筑工地还面临技术挑战。
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