Forskare vid Worcester Polytechnic Institute (WPI) använder ett enzym som finns i röda blodkroppar för att skapa självläkande betong som är fyra gånger mer hållbar än traditionell betong, förlänger livslängden på betongbaserade konstruktioner och eliminerar behovet av dyra reparationer eller byten. Arbetet, publicerad i den peer-reviewade tidskriften Tillämpade material idag , använder ett enzym som automatiskt reagerar med atmosfärisk koldioxid (CO ₂ ) för att skapa kalciumkarbonatkristaller, som efterliknar betong i strukturen, styrka, och andra fastigheter, och kan fylla sprickor innan de orsakar strukturella problem.

"Den globala användningen av betong är allestädes närvarande, "sa Nima Rahbar, docent i civil- och miljöteknik och huvudförfattare till uppsatsen. Betong är det mest använda konstgjorda byggmaterialet i världen:det är en kritisk komponent i allt från broar till höghus, familjehem, trottoarer, och parkeringshus. Men betong är skör och benägen att spricka vid exponering för vatten, termiska förändringar, påfrestning, vägsalt, brister i design, och andra faktorer som kan leda till förlust av strukturell integritet och behov av kostsamma reparationer eller byten.

"Om små sprickor automatiskt kunde repareras när de först startar, de kommer inte att förvandlas till större problem som behöver repareras eller bytas ut. Det låter sci-fi, men det är en verklig lösning på ett betydande problem i byggbranschen."

Inspirerad av processen med CO ₂ överföring i naturen, Rahbars forskning, som tidigare fått finansiering från Massachusetts Clean Energy Center (MassCEC), använder kolsyraanhydras (CA), ett enzym som finns i röda blodkroppar som snabbt överför CO ₂ från cellerna till blodomloppet. CA-enzymet, som tillsätts till betongpulvret innan det blandas och hälls, fungerar som en katalysator som orsakar atmosfärisk CO ₂ för att skapa kalciumkarbonatkristaller, vars matris liknar betongens. När en liten spricka bildas i den enzymatiska betongen, enzymet inuti betongen ansluter till CO ₂ i luften, utlöser tillväxten av en ny matris som fyller i sprickan.

"Vi tittade på naturen för att hitta vad som utlöser den snabbaste CO ₂ överföra, och det är CA-enzymet, "sa Rahbar, som har forskat i självläkande betong i fem år. "Eftersom enzymer i våra kroppar reagerar otroligt snabbt, de kan användas som en effektiv mekanism för att reparera och stärka betongkonstruktioner."

Processen, som Rahbar har patenterat, kan läka millimeterskaliga sprickor inom 24 timmar.

Forskningspapperet, med titeln "Ett enzymatisk självläkande cementmaterial, " publicerades i Tillämpade material idag , en peer-reviewed tidskrift fokuserad på banbrytande tillämpningar av nya material. Medförfattare är Suzanne Scarlata, professor i kemi och biokemi; Jessica Rosewitz, tidigare Ph.D. student och nu adjungerad instruktör i teknik; och Ph.D. student Shuai Wang.

Teamet har utvecklat ett tredelat tillvägagångssätt som inkluderar en konkret blandning som, när det används för att bygga en struktur, kommer självständigt att laga små sprickor som bildas; en blandning som kan inducera självläkning i större sprickor eller hål; och en process som kan appliceras på traditionell betong för att laga sprickor.

För att laga en större spricka eller hål, Rahbar sa kalcium och CO ₂ kan appliceras för att stimulera autonom läkning. Samma blandning kan användas, men med en annan ansökningsprocess, att initiera läkning i redan härdad traditionell betong.

"Att läka traditionell betong som redan används är avgörande, för, och kommer att bidra till att minska behovet av att producera och transportera ytterligare betong, som har en enorm miljöpåverkan, sa Rahbar.

Betong är en betydande bidragsgivare till CO ₂ utsläpp, växthusgaser som bidrar till klimatförändringarna. Enligt en rapport från 2018 från Chatham House, ett policyinstitut med huvudkontor i London, varje år produceras mer än 4 miljarder ton cement, står för cirka 8 procent av den globala koldioxiden ₂ utsläpp. Att förlänga dess livslängd kan minska miljöskadlig CO ₂ utsläpp över hela världen.

Forskare har länge försökt utveckla processer för att sporra betong att läka sig själv och förhindra att små sprickor växer till större sprickor eller hål för att hjälpa materialet att behålla sin styrka, vattentäthet, och hållbarhet. Rahbar förutspår att självläkande betong kan förlänga livslängden på en struktur från 20 år, till exempel, till 80 år.

Annan forskning om att skapa självläkande betong har fokuserat på att lägga till mikrober och Bacillus megaterium, en sporbildande bakterie som producerar ett enzym som drivs ut i betongblandningen. Rahbar valde att använda enzymer direkt istället för bakterier, noterar att bakterierna är dyrare och arbetar långsammare - det tar upp till en månad att läka en 10-mikron spricka som enzymerna kan läka på 24 timmar - och det finns oro för potentiella långsiktiga hälsoproblem relaterade till deras användning.