Opracowanie zrównoważonego substytutu betonu

okcm/shutterstock.com

Naukowcy z Worcester Polytechnic Institute (WPI) Nima Rahbar i Suzanne Scarlata otrzymali 692 386 dolarów od National Science Foundation (NSF) na ulepszenie i opracowanie nowych funkcji dla ich Enzymatic Construction Material (Enzymatycznego Materiału Konstrukcyjnego) (ECM), “żywego” taniego materiału budowlanego o ujemnej emisji, który stworzyli, aby rozwiązać jeden z największych czynników przyczyniających się do zmian klimatu - - zapewniając to, co nazywają “sposobem na naprawę lub nawet zastąpienie [tradycyjnego] betonu w przyszłości“.  Rahbar i Scarlata udostępnili już swoje badania do użytku komercyjnego za pośrednictwem start-upu o nazwie Enzymatic, Inc.; to nowe finansowanie umożliwi im również:

• Poznanie nowych możliwości zastosowania ECM, w tym naprawę pęknięć w różnych rodzajach szkła, takich jak soczewki okularowe, ekrany telefonów komórkowych i szyby samochodowe.
• Opracowanie programu edukacji różnych populacji dziewcząt w gorszej sytuacji - w Worcester i Afryce - na temat inżynierii i budownictwa.

O ECM - potrzeba, teoria i proces

Według Statisa, w latach 1995-2020 światowa produkcja betonu wzrosła z 1,39 miliarda do 4,1 miliarda ton, co czyni go drugą najczęściej używaną substancją na Ziemi obok wody. Oprócz wysiłków na rzecz złagodzenia ogromnych skutków zmian klimatu wywołanych przez beton, Rahbar i Scarlata planują wykorzystać nowe fundusze do udoskonalenia i optymalizacji ECM i procesów jego tworzenia oraz rozszerzenia jego wykorzystania do różnych materiałów.

Enzymy biologiczne są katalizatorami, które napędzają reakcje chemiczne. ECM powstaje w procesie z udziałem enzymu znanego jako anhydraza węglanowa - występującego we wszystkich żywych komórkach - który ma wyjątkową zdolność do reagowania z CO2 w celu szybkiego usuwania gazu cieplarnianego z atmosfery. Reakcja ta tworzy kryształy węglanu wapnia, które służą jako główny składnik ECM. Dodaje się również zawiesinę piaskową, a także polimer, który utrzymuje ECM razem we wczesnych stadiach, podobnie jak rusztowanie podczas budowy budynku. Dzięki temu procesowi ECM może "wyleczyć się" i naprawić pęknięcia lub inne niedoskonałości, które mogą rozwinąć się z czasem, zachowując swoją siłę przez aż sześć cykli samoleczenia.

Dzięki szeroko zakrojonym testom i eksperymentom zespół badawczy odkrył, że ECM ma "wyjątkową" wytrzymałość na ściskanie, rywalizując z tradycyjną zaprawą, dzięki czemu jest wystarczająco mocny, aby można go było stosować w budowie budynków jako elementy ściskające. Nie wymaga również pieczenia w wysokich temperaturach, jak tradycyjna cegła i może być wykonana szybko, w przeciwieństwie do 28 dni potrzebnych do utwardzenia betonu. ECM może być również wytwarzany przy niskich kosztach, ponieważ procent enzymów jest krótki. To nowe finansowanie NSF pomoże zespołowi ulepszyć procesy, które pozwolą EMC na szybsze przejście z laboratorium na place budowy.

Nowa ścieżka dla materiału może być również wykorzystana do mocowania pękniętego lub uszkodzonego szkła. Scarlata mówi, że inspiracja przyszła do niej dzięki czemuś, do czego wielu rodziców może się odnieść - jej dzieci przypadkowo upuściły i zepsuły ekrany telefonów komórkowych - co doprowadziło ją do znalezienia sposobu na naprawę, a nie wymianę szklanych ekranów telefonów. Chociaż Scarlata i Rahbar nie mają jeszcze żadnych danych na temat zdolności ECM do naprawy szkła, uważają, że jest to możliwe. "Ta metoda naprawy szkła zaoszczędziłaby dużo czasu, energii i odpadów" - mówi Scarlata. Rahbar dodaje: "To teraz marzenie, ale ta nauka ewoluuje ... przez sny".

Co to oznacza dla dziewcząt i dlaczego ma znaczenie dla branży budowlanej

Ponadto grant pozwoli Rahbarowi i Scarlatcie opracować program oparty na ich pracy laboratoryjnej nad ECM, aby edukować i inspirować niedostatecznie reprezentowane i upośledzone dziewczęta w zakresie inżynierii i budownictwa, branży, w której różnica między płciami jest wyraźna. Według OSHA tylko 9 procent pracowników budowlanych w tym kraju to kobiety.

Naukowcy planują współpracować z organizacjami w Worcester, w tym z lokalnym oddziałem Girls Inc., aby stworzyć programy letnie i programy pozaszkolne, w których dziewczęta zaprojektują sześciocalowy model budynku, wykonają dla niego formę za pomocą druku 3D i zbudują strukturę z ECM. Rahbar i Scarlata współpracują również z Afrykańskim Uniwersytetem Nauki i Technologii, aby gościć odwiedzających absolwentów WPI i prowadzić dodatkowe letnie programy dla tej grupy. "Budownictwo tradycyjnie było dziedziną męską i było pomijane przez młode kobiety jako potencjalna kariera, ale kobiety mają wiele do zaoferowania we wszystkich dziedzinach, w tym w budownictwie" - powiedział Scarlata.