Живые кирпичи! Ученые создают живой бетон

Веками строители производили бетон примерно одинаково: смешивая твердые материалы, такие как песок, с различными связующими веществами и надеясь, что он останется неподвижным и жестким в течение длительного времени.

Теперь междисциплинарная группа исследователей из Университета Колорадо, Боулдер, создала совершенно другой вид бетона - тот, который жив и может даже воспроизводиться.
Минералы в новом материале осаждаются не химией, а цианобактериями, распространенным классом микробов, которые захватывают энергию посредством фотосинтеза. Фотосинтетические бактерии придают бетону зеленый цвет.

«Это действительно похоже на материал Франкенштейна», - сказал Уил Срубар, инженер-конструктор и руководитель исследовательского проекта. (Зеленый цвет исчезает, когда материал высыхает).

Другие исследователи работали над включением биологии в бетон, особенно в бетон, который может лечить собственные трещины. Основное преимущество нового материала, говорят его создатели, состоит в том, что вместо добавления бактерий в обычный бетон - негостеприимную среду - их процесс ориентирован вокруг бактерий: привлечение их к сборке бетона и поддержание их в живых, чтобы они потом делали больше.

«Новый бетон представляет новый и интересный класс низкоуглеродистых дизайнерских строительных материалов», - говорит Андреа Гамильтон, эксперт по бетону в Университете Стратклайда в Шотландии.

Чтобы построить живой бетон, исследователи сначала попытались поместить цианобактерии в смесь теплой воды, песка и питательных веществ. Микробы охотно поглощали свет и начали производить карбонат кальция, постепенно цементируя частицы песка вместе. Но процесс шел медленно. Доктор Срубар ранее работал с желатином, пищевым ингредиентом, который при растворении в воде и охлаждении образует особые связи между его молекулами. Важно отметить, что его можно использовать при умеренных температурах, которые не влияют на бактерии. Он предложил добавить желатин, чтобы укрепить матрицу, которую строят цианобактерии, и команда была заинтригована.

Исследователи купили желатин марки Knox в местном супермаркете и растворили его в растворе с бактериями. Когда они вылили смесь в формы и охладили ее в холодильнике, желатин образовал свои связи - «точно так же, как при приготовлении желе», - сказал доктор Срубар. Желатин обеспечил большую структуру и работал с бактериями, чтобы помочь живому бетону расти сильнее и быстрее.

Примерно через день смесь сформировала бетонные блоки в форме любых форм, которые использовала группа, включая двухдюймовые кубики, блоки размером с обувную коробку и куски формы с распорками и вырезами. Отдельные двухдюймовые кубики были достаточно прочными, чтобы человек мог стоять на них, хотя материал слабее по сравнению с большинством обычных бетонов. Блоки размером с обувную коробку показали потенциал для реального строительства.

«В первый раз, когда мы создали большую структуру, используя эту систему, мы не знали, будет ли она работать, переходя от этой маленькой вещицы к большому кирпичу», - сказал Челси Хеверан, инженер в Университете штата Монтана - и ведущий автор исследования. «Мы вынули его из формы и держали - он был красивого, ярко-зеленого цвета. Это был первый раз, когда у нас был масштаб, который мы представляли, и это было действительно захватывающим».

При хранении в относительно сухом воздухе при комнатной температуре блоки достигают максимальной прочности в течение нескольких дней, и бактерии постепенно начинают вымирать. Но даже через несколько недель блоки все еще живы; когда снова подвергаются воздействию высокой температуры и влажности, многие из бактериальных клеток бодрствуют.
Группа может взять один блок, разрезать его алмазной пилой, поместить половину назад в теплый химический стакан с большим количеством сырья, залить его в форму и начать заново бетонирование. Таким образом, каждый блок может порождать три новых поколения, давая восемь блоков-потомков.

Живые строительные материалы могут оказать помощь в строительстве в отдаленных или суровых условиях.

«В пустыне вам не нужно перевозить много материалов», - сказал доктор Срубар.

Преимущество блоков состоит в том, что они изготовлены из различных обычных материалов. Большинству бетона требуется девственный песок, который поступает из рек, озер и океанов, который истощается во всем мире, в основном из-за огромного спроса на бетон. Новый живой материал не такой привередливый.

«Мы не используем какой-то особый вид песка», - сказал доктор Срубар. «Мы могли бы использовать отходы, такие как матовое стекло или переработанный бетон».

В настоящее время исследовательская группа работает над тем, чтобы сделать материал более практичным, более прочным, повышая устойчивость бактерий к обезвоживанию и переконфигурируя материалы таким образом, чтобы они могли быть упакованы в плоскую форму и легко собираться, как плиты из гипсокартона. Также ученые стремятся обнаружить другой вид цианобактерий, который не требует добавления желатина.

В конце концов, сказал доктор Срубар, инструменты синтетической биологии могут значительно расширить сферу возможностей: например, строительные материалы, которые могут обнаруживать токсичные химические вещества и реагировать на них, или загораются для выявления структурных повреждений. Живой бетон может помочь в условиях, более суровых, чем даже самые сухие пустыни: другие планеты, такие как Марс, пишет The New York Times.

«Мы никак не сможем нести строительные материалы в космос», - сказал доктор Срубар. «Мы принесем с собой биологию».