Η υποδομή υποστηρίζει και διευκολύνει την καθημερινή μας ζωή - σκεφτείτε τους δρόμους που οδηγούμε, τις γέφυρες και τις σήραγγες που βοηθούν στη μεταφορά ανθρώπων και εμπορευμάτων, τα κτίρια γραφείων όπου εργαζόμαστε και τα φράγματα που παρέχουν το νερό που πίνουμε. Αλλά δεν είναι μυστικό ότι η αμερικανική υποδομή γηράσκει και έχει απεγνωσμένη ανάγκη αποκατάστασης.
Οι δομές σκυροδέματος, ειδικότερα, υποφέρουν από σοβαρή υποβάθμιση. Οι ρωγμές είναι πολύ συχνές λόγω διαφόρων χημικών και φυσικών φαινομένων που εμφανίζονται κατά την καθημερινή χρήση. Το σκυρόδεμα συρρικνώνεται καθώς στεγνώνει, πράγμα που μπορεί να προκαλέσει ρωγμές. Μπορεί να σπάσει όταν υπάρχει κίνηση κάτω ή χάρη στους κύκλους ψύξης / απόψυξης κατά τη διάρκεια των εποχών. Απλά βάζοντας πάρα πολύ βάρος σε αυτό μπορεί να προκαλέσει κατάγματα. Ακόμη χειρότερα, οι χαλύβδινες ράβδοι που είναι ενσωματωμένες στο σκυρόδεμα ως ενισχυτικά μπορούν να διαβρωθούν με το πέρασμα του χρόνου.
Πολύ μικροσκοπικές ρωγμές μπορεί να είναι αρκετά επιβλαβείς επειδή παρέχουν μια εύκολη διαδρομή για τα υγρά και τα αέρια - και τις βλαβερές ουσίες που μπορεί να περιέχουν. Για παράδειγμα, οι μικρο-ρωγμές μπορούν να επιτρέψουν στο νερό και το οξυγόνο να διεισδύσουν και στη συνέχεια να διαβρώσουν τον χάλυβα, οδηγώντας σε δομική αποτυχία. Ακόμα και μια λεπτή παράβαση μόνο το πλάτος μιας τρίχας μπορεί να επιτρέψει αρκετό νερό να υπονομεύσει την ακεραιότητα του σκυροδέματος.
Αλλά οι εργασίες συνεχούς συντήρησης και επισκευής είναι δύσκολες επειδή απαιτούν συνήθως τεράστιο όγκο εργασίας και επενδύσεων.
Έτσι, από το 2013, προσπαθώ να καταλάβω πώς αυτές οι βλαβερές ρωγμές θα μπορούσαν να θεραπευθούν χωρίς ανθρώπινη παρέμβαση. Η ιδέα ήταν αρχικά εμπνευσμένη από την εκπληκτική ικανότητα του ανθρώπινου σώματος να θεραπεύσει τις κοπές, τις μώλωπες και τα σπασμένα οστά. Ένα άτομο παίρνει τα θρεπτικά συστατικά που το σώμα χρησιμοποιεί για να παράγει νέα υποκατάστατα για να θεραπεύσει τους κατεστραμμένους ιστούς. Με τον ίδιο τρόπο, μπορούμε να παράγουμε τα απαραίτητα προϊόντα στο σκυρόδεμα για να γεμίσουμε ρωγμές όταν συμβαίνει κάποια ζημιά;
Οι συνάδελφοι του Πανεπιστημίου Binghamton Guangwen Zhou και David Davies, Ning Zhang από το Πανεπιστήμιο Rutgers και βρήκα έναν ασυνήθιστο υποψήφιο για να βοηθήσει το συγκεκριμένο να θεραπευτεί: ένας μύκητας που ονομάζεται Trichoderma reesei .
Οι ερευνητές εξέτασαν έναν αριθμό μυκήτων που αναζητούσαν έναν υποψήφιο που θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην κάλυψη συγκεκριμένων ρωγμών. (Congrui Jin, CC BY-ND) Αρχικά εξετάσαμε περίπου 20 διαφορετικά είδη μυκήτων για να βρούμε ένα που θα μπορούσε να αντέξει τις σκληρές συνθήκες στο σκυρόδεμα. Μερικοί απομονώσαμε από τις ρίζες φυτών που αναπτύσσονταν σε εδάφη φτωχά σε θρεπτικά συστατικά, μεταξύ άλλων από τα πεύκα Barrens του New Jersey και τα καναδικά βραχώδη βουνά της Αλμπέρτα.
Διαπιστώσαμε ότι ως υδροξείδιο του ασβεστίου από σκυρόδεμα διαλυμένο σε νερό, το pH του μέσου ανάπτυξης μυκήτων αυξήθηκε από μια αρχική τιμή κοντά στο ουδέτερο του 6, 5 σε όλη την έκταση σε ένα πολύ αλκαλικό 13, 0. Από όλους τους μύκητες που δοκιμάσαμε, μόνο ο T. reesei θα μπορούσε να επιβιώσει από αυτό το περιβάλλον. Παρά την δραστική αύξηση του ρΗ, τα σπόρια του βλαστάνοντο σε νευρικό μυθελίο με νήμα και αναπτύσσονταν εξίσου καλά με ή χωρίς σκυρόδεμα.
Μόλις τα σπόρια (αριστερά) βλαστήσουν με την προσθήκη νερού, αναπτύσσονται σε σπειροειδές υφατικό μυκήλιο (δεξιά). (Congrui Jin, CC BY-ND) Προτείνουμε να συμπεριληφθούν σπόρια μυκήτων, μαζί με θρεπτικά συστατικά, κατά την αρχική διαδικασία ανάμειξης κατά την κατασκευή μιας νέας δομής σκυροδέματος. Όταν συμβαίνει η αναπόφευκτη ρωγμή και το νερό βρεθεί μέσα, τα σπόρια μυϊκών σπόρων θα βλαστήσουν.
Καθώς μεγαλώνουν, θα λειτουργήσουν ως καταλύτες στις πλούσιες σε ασβέστιο συνθήκες του σκυροδέματος για να προωθήσουν την καταβύθιση κρυστάλλων ανθρακικού ασβεστίου. Αυτές οι εναποθέσεις ορυκτών μπορούν να γεμίσουν τις ρωγμές. Όταν οι ρωγμές είναι πλήρως καλαμιωμένες και δεν μπορεί να εισέλθει νερό, οι μύκητες θα σχηματίσουν και πάλι σπόρια. Εάν δημιουργηθούν ξανά ρωγμές και οι περιβαλλοντικές συνθήκες γίνουν ευνοϊκές, τα σπόρια μπορούν να ξυπνήσουν και να επαναλάβουν τη διαδικασία.
Το T. reesei είναι φιλικό προς το περιβάλλον και μη παθογόνο και δεν παρουσιάζει γνωστό κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία. Παρά τη διαδεδομένη παρουσία της σε τροπικά εδάφη, δεν υπάρχουν αναφορές δυσμενών επιδράσεων σε υδρόβια ή χερσαία φυτά ή ζώα. Στην πραγματικότητα, ο T. reesei έχει μακρά ιστορία ασφαλούς χρήσης σε βιομηχανική κλίμακα παραγωγής ενζύμων υδατάνθρακα, όπως η κυτταρινάση, η οποία παίζει σημαντικό ρόλο στις διεργασίες ζύμωσης κατά τη διάρκεια της οινοποίησης. Φυσικά, οι ερευνητές θα πρέπει να διενεργήσουν διεξοδική αξιολόγηση για να διερευνήσουν τυχόν άμεσες και μακροπρόθεσμες επιπτώσεις στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία πριν από τη χρήση του ως θεραπευτικού παράγοντα σε συγκεκριμένες υποδομές.
Μελλοντικές συνταγές τσιμέντου μπορεί να περιλαμβάνουν μύκητες. (Διασταύρωση στο Midtown στο Turner Park, CC BY) Εξακολουθούμε να μην καταλαβαίνουμε πλήρως αυτήν την πολύ νέα, αλλά πολλά υποσχόμενη, τεχνική βιολογικής επισκευής. Το σκυρόδεμα είναι ένα σκληρό περιβάλλον για τον μύκητα: πολύ υψηλές τιμές pH, σχετικά μικρά μεγέθη πόρων, σοβαρό έλλειμμα υγρασίας, υψηλές θερμοκρασίες το καλοκαίρι και χαμηλές θερμοκρασίες το χειμώνα, περιορισμένη διαθεσιμότητα θρεπτικών ουσιών και πιθανή έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία από το ηλιακό φως. Όλοι αυτοί οι παράγοντες επηρεάζουν δραματικά τις μεταβολικές δραστηριότητες των μυκήτων και τους καθιστούν ευάλωτους στον θάνατο.
Η έρευνά μας βρίσκεται ακόμη στο αρχικό στάδιο και υπάρχει πολύς δρόμος για να καταστεί το αυτοθεραπευτικό σκυρόδεμα πρακτικό και οικονομικό. Αλλά το πεδίο των προκλήσεων της αμερικανικής υποδομής καθιστά την εξερεύνηση δημιουργικών λύσεων όπως αυτή που αξίζει τον κόπο.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Congrui Jin, Επίκουρος Καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Binghamton, Κρατικό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης
