Όπως καταλαβαίνει ο κόσμος της κλιματικής αλλαγής, we urgently need to find ways of reducing our CO? emissions. Sectors which rely heavily on fossil fuels, such as energy and αεροπορία, θεωρούνται συνήθως οι χειρότεροι παραβάτες. Αλλά αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν συνειδητοποιούν είναι ότι υπάρχει ένας άλλος ένοχος, που κρύβεται στα μάτια. στους δρόμους των πόλεών μας, και στα κτίρια όπου ζούμε και εργαζόμαστε.

Μόνο το 2007, χάλυβα και σκυρόδεμα were each responsible for more CO? emissions than the entire global aviation industry. Before reaching the construction site, both steel and cement must be processed at very high temperatures – and this takes a lot of energy. So how can we reduce our dependence on these “dirty” materials, when they play such a crucial role in construction?

Μια επιλογή είναι να χρησιμοποιήσετε φυσικά υλικά, όπως το ξύλο. Οι άνθρωποι χτίζουν με ξύλο για χιλιάδες χρόνια, και οι ξύλινες κατασκευές είναι επί του παρόντος βιώνει μια μικρή αναγέννηση - εν μέρει επειδή είναι ένα φτηνό και βιώσιμο υλικό.

Υπάρχουν όμως μερικά μειονεκτήματα στην κατασκευή με ξύλο; το υλικό μπορεί να στρεβλωθεί σε υγρές συνθήκες και είναι ευάλωτο σε προσβολή από παράσιτα όπως τερμίτες. Και ενώ τα φυσικά υλικά, όπως το ξύλο, είναι ελκυστικά από περιβαλλοντική άποψη, μπορεί να μην είναι ικανοποιητικά για τους μηχανικούς που μπορεί να επιθυμούν να κατασκευάσουν εξαρτήματα σε συγκεκριμένο σχήμα ή μέγεθος.

Αντιγραφή ζωής

Τι γίνεται λοιπόν εάν, αντί να χρησιμοποιούμε φυσικά υλικά όπως τα βρίσκουμε, φτιάχνουμε νέα υλικά εμπνευσμένα από τη φύση; Αυτή η ιδέα άρχισε να προσελκύει την ερευνητική κοινότητα τη δεκαετία του 1970 και πραγματικά εξερράγη τη δεκαετία του 1990, με την ανάπτυξη νανοτεχνολογία και νανοκατασκευές. Σήμερα, αποτελεί τη βάση ενός νέου πεδίου επιστημονικής έρευνας: συγκεκριμένα, «βιομιμητική» - κυριολεκτικά «αντιγραφή ζωής».

Τα βιολογικά κύτταρα αναφέρονται συχνά ως «τα δομικά στοιχεία της ζωής", Επειδή είναι οι μικρότερες μονάδες ζωντανής ύλης. Αλλά για να δημιουργήσετε έναν πολυκυτταρικό οργανισμό όπως εσείς ή εμένα, τα κύτταρα πρέπει να συσσωρεύονται μαζί με μια δομή στήριξης για να σχηματίσουν τα βιολογικά υλικά από τα οποία κατασκευάζουμε, ιστούς όπως οστά, χόνδρους και μυς. Είναι υλικά σαν αυτά, τα οποία επιστήμονες που ενδιαφέρονται για τη βιομιμητική έχουν στραφεί για έμπνευση.

Για να φτιάξουμε βιομιμητικά υλικά, πρέπει να έχουμε μια βαθιά κατανόηση του πώς λειτουργούν τα φυσικά υλικά. Γνωρίζουμε ότι τα φυσικά υλικά είναι επίσης «σύνθετα υλικά»: είναι κατασκευασμένα από πολλά διαφορετικά βασικά υλικά, το καθένα με διαφορετικές ιδιότητες. Τα σύνθετα υλικά είναι συχνά ελαφρύτερα από τα υλικά ενός συστατικού, όπως μέταλλα, ενώ εξακολουθούν να έχουν επιθυμητές ιδιότητες όπως ακαμψία, αντοχή και σκληρότητα.

Παραγωγή βιομιμητικών υλικών

Οι μηχανικοί υλικών έχουν περάσει δεκαετίες για τη μέτρηση της σύνθεσης, της δομής και των ιδιοτήτων των φυσικών υλικών όπως το οστό και το κέλυφος των αυγών, οπότε τώρα έχουμε μια καλή κατανόηση των χαρακτηριστικών τους.

Για παράδειγμα, γνωρίζουμε ότι το οστό αποτελείται από ενυδατωμένες πρωτεΐνες και ανόργανα άλατα, σε σχεδόν ίσες αναλογίες. Το ορυκτό προσδίδει ακαμψία και σκληρότητα, ενώ η πρωτεΐνη προσδίδει σκληρότητα και αντοχή στο κάταγμα. Αν και τα οστά μπορούν να σπάσουν, είναι σχετικά σπάνιο και έχουν το πλεονέκτημα να είναι αυτοθεραπεία - ένα άλλο χαρακτηριστικό που οι μηχανικοί προσπαθούν να φέρουν σε βιομιμητικά υλικά.

Όπως και τα οστά, το κέλυφος του αυγού είναι ένα σύνθετο υλικό, αλλά είναι περίπου 95% ορυκτό και μόνο 5% ενυδατωμένη πρωτεΐνη. Ωστόσο, ακόμη και αυτή η μικρή ποσότητα πρωτεΐνης είναι αρκετή για να κάνει το κέλυφος του αυγού πολύ σκληρό, λαμβάνοντας υπόψη τη λεπτότητά του - όπως θα έχουν παρατηρήσει οι περισσότεροι μάγειρες πρωινού. Η επόμενη πρόκληση είναι η μετατροπή αυτής της γνώσης σε κάτι σταθερό.

Υπάρχουν δύο τρόποι για να μιμηθείτε τα φυσικά υλικά. Είτε μπορείτε να μιμηθείτε τη σύνθεση του ίδιου του υλικού είτε να αντιγράψετε τη διαδικασία με την οποία δημιουργήθηκε το υλικό. Δεδομένου ότι τα φυσικά υλικά παράγονται από ζωντανά πλάσματα, δεν εμπλέκονται υψηλές θερμοκρασίες σε καμία από αυτές τις μεθόδους. Ως εκ τούτου, τα βιομιμητικά υλικά - ας τα ονομάσουμε "neo-bone" και "neo-eggshell" - παίρνουν πολύ λιγότερη ενέργεια για την παραγωγή από το χάλυβα ή το σκυρόδεμα.

Στο εργαστήριο, καταφέραμε να φτιάξουμε δείγματα κλίμακας εκατοστών νεο-οστών. Το κάνουμε αυτό προετοιμάζοντας διαφορετικά διαλύματα πρωτεΐνης με τα συστατικά που κάνουν οστά ανόργανα. Ένα σύνθετο υλικό νεο-οστών στη συνέχεια εναποτίθεται από αυτά τα διαλύματα με βιομιμητικό τρόπο σε θερμοκρασία σώματος. Δεν υπάρχει κανένας λόγος ότι αυτή η διαδικασία - ή μια βελτιωμένη, ταχύτερη έκδοση αυτής - δεν θα μπορούσε να κλιμακωθεί σε βιομηχανικό επίπεδο.

Φυσικά, ο χάλυβας και το σκυρόδεμα είναι παντού, έτσι ο τρόπος σχεδιασμού και κατασκευής κτιρίων βελτιστοποιείται για αυτά τα υλικά. Για να αρχίσουμε να χρησιμοποιούμε βιομιμητικά υλικά σε μεγάλη κλίμακα, θα πρέπει να επανεξετάσουμε πλήρως τους οικοδομικούς κώδικες και τα πρότυπα μας για δομικά υλικά. Αλλά τότε, εάν θέλουμε να χτίσουμε μελλοντικές πόλεις με βιώσιμο τρόπο, ίσως μια σημαντική επανεξέταση είναι ακριβώς αυτό που χρειάζεται. Η επιστήμη είναι ακόμη στα σπάργανα, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι δεν μπορούμε να ονειρευτούμε μεγάλα για το μέλλον.