Як світ бореться з зміни клімату, нам терміново потрібно знайти способи зменшити наш CO? викиди. Сектори, які значною мірою залежать від викопного палива, такі як енергетика та авіація, як правило, вважаються найгіршими правопорушниками. Але більшість людей не усвідомлюють, що є ще один винуватець, який ховається на очах; на вулицях наших міст і в будівлях, де ми живемо і працюємо.

Тільки в 2007 році сталь і бетон кожен відповідав за більше CO? викидів, ніж уся світова авіаційна промисловість. Перш ніж потрапити на будівельний майданчик, і сталь, і цемент мають бути оброблені при дуже високих температурах – і це забирає багато енергії. Отже, як ми можемо зменшити нашу залежність від цих «брудних» матеріалів, коли вони відіграють таку вирішальну роль у будівництві?

Один із варіантів - використання натуральних матеріалів, таких як дерево. Люди будували деревину для тисячі років, і дерев’яні конструкції є наразі переживає незначне пожвавлення - частково тому, що це дешевий та стійкий матеріал.

Але є і такі недоліки будівництва з дерева; матеріал може деформуватися у вологих умовах і схильний до нападу шкідників, таких як терміти. І хоча натуральні матеріали, такі як дерево, є привабливими з екологічної точки зору, вони можуть бути незадовільними для інженерів, які, можливо, захочуть виготовляти компоненти певної форми чи розміру.

Копіювання життя

Так що, якщо замість використання природних матеріалів, як ми їх знаходимо, ми створюємо нові матеріали, натхненні природою? Ця ідея почала набирати популярність у дослідницькому середовищі в 1970 -х роках і справді вибухнула у 1990 -х роках, з розвитком нанотехнології та методи нановиробництва. Сьогодні це лежить в основі нової галузі наукових досліджень: а саме “біоміметика” - буквально “копіювання життя”.

Біологічні клітини часто називають «будівельні блоки життя”, Оскільки вони є найменшими одиницями живої матерії. Але, щоб створити багатоклітинний організм, такий як ви чи я, клітини повинні злипатися разом з опорною структурою, щоб утворити біологічні матеріали, з яких ми виготовлені, такі тканини, як кістка, хрящ та м’язи. Саме до таких матеріалів до натхнення звернулися вчені, які цікавляться біоміметикою.

Для того, щоб виготовляти біоміметичні матеріали, нам потрібно глибоко розуміти, як працюють природні матеріали. Ми знаємо, що природні матеріали також є «композитами»: вони виготовлені з декількох різних основних матеріалів, кожен з яких має різні властивості. Композиційні матеріали часто легші, ніж однокомпонентні матеріали, такі як метали, і при цьому мають бажані властивості, такі як жорсткість, міцність і в'язкість.

Виготовлення біоміметичних матеріалів

Матеріалознавці витратили десятиліття на вимірювання складу, структури та властивостей таких природних матеріалів, як кістка та яєчна шкаралупа, тож тепер ми добре розуміємо їх характеристики.

Наприклад, ми знаємо, що кістка складається з гідратованого білка та мінералу майже в однакових пропорціях. Мінерал надає жорсткість і твердість, а білок - міцність і стійкість до руйнування. Хоча кістки можуть ламатися, це зустрічається відносно рідко, і вони мають перевагу самовідновлення - ще одна особливість, яку інженери намагаються довести до біоміметичних матеріалів.

Як і кістка, яєчна шкаралупа - це композитний матеріал, але вона містить близько 95% мінеральних речовин і лише 5% гідратованого білка. Однак навіть цієї невеликої кількості білка достатньо, щоб зробити яєчну шкаралупу дуже міцною, враховуючи її тонкість - як це помітила більшість кулінарів. Наступний виклик - перетворити ці знання на щось міцне.

Є два способи імітувати природні матеріали. Або ви можете імітувати склад самого матеріалу, або можете скопіювати процес, за допомогою якого матеріал був виготовлений. Оскільки природні матеріали виготовляються живими істотами, жоден із цих методів не передбачає високих температур. Таким чином, біоміметичні матеріали-назвемо їх «нео-кісткою» та «нео-яєчною шкаралупою»-беруть набагато менше енергії для виробництва, ніж сталь або бетон.

У лабораторії нам вдалося це зробити сантиметрові зразки з нео-кістки. Ми робимо це, готуючи різні розчини білка з компонентами, які роблять кістку мінеральною. Потім з цих розчинів біоміметичним способом при температурі тіла осаджується композитний неокістковий матеріал. Немає причин, що цей процес - або його вдосконалену, більш швидку версію - не можна розширити до промислового рівня.

Звичайно, сталь і бетон є скрізь, тому спосіб проектування та будівництва будівель оптимізований для цих матеріалів. Щоб почати широко використовувати біоміметичні матеріали, нам потрібно повністю переглянути наші будівельні норми та стандарти на будівельні матеріали. Але тоді, якщо ми хочемо збудувати майбутні міста стабільним шляхом, можливо, значне переосмислення - це саме те, що потрібно. Наука ще тільки зароджується, але це не означає, що ми не можемо мріяти про майбутнє.