2020年5月28日
巩固我们未来基础设施的可持续性的秘密可能来自大自然，比如防止动植物在极端寒冷条件下冻结的蛋白质。博尔德大学的研究人员发现，一种基于天然防冻蛋白的合成分子将冻融损伤降至最低，并增加混凝土的强度和耐久性，提高新基础设施的寿命，并在其寿命期间减少碳排放。
他们发现，在混凝土中加入一种仿生分子——一种模仿在北极和南极生物体内发现的防冻化合物的分子——可以有效地防止冰晶的生长和随后的破坏。这个新方法，今天发表在细胞报告物理科学欧洲杯线上买球在缓解混凝土基础设施冻害方面，70多年来的传统方法面临挑战。
“没有人认为混凝土是一种高科技材料，”这项新研究的作者、土木、环境和建筑工程助理教授威尔·斯鲁巴三世说。“但它比人们想象的要高科技得多。面对气候变化，关键是不仅要关注我们如何生产在生产过程中排放大量二氧化碳的混凝土和其他建筑材料，还要关注我们如何确保这些材料的长期弹性。”欧洲杯足球竞彩
混凝土是由水、水泥粉和各种骨料如砂石等混合而成。
自20世纪30年代以来，人们将小气泡放入混凝土中，以保护混凝土免受水和冰晶的破坏。这使得渗入混凝土的水在结冰时有空间膨胀。没有它，损坏的混凝土表面会剥落。
但这种繁琐的过程是有代价的，会降低强度，增加渗透性。这使得道路盐和其他化学物质渗透到混凝土中，进而降解嵌入其中的钢材。
“当你在解决一个问题时，你实际上是在加剧另一个问题，”Srubar说。
由于美国各地都面临着大量老化的基础设施，每年都要花费数十亿美元来减轻和防止损害。然而，这种新的仿生分子可以大大降低成本。
在测试中，用这种分子而不是气泡制成的混凝土被证明具有相同的性能，更高的强度，更低的渗透性和更长的寿命。
由于专利正在申请中，斯鲁巴希望这种新方法能在未来5到10年内进入商业市场。
大自然自有办法
从南极洲低于冰点的海水到北极冰冷的苔原，许多植物、鱼类、昆虫和细菌都含有防止它们结冰的蛋白质。这些防冻蛋白在生物体形成的那一刻就与冰晶的表面结合在一起——使它们非常非常小，不会造成任何损害。
“我们认为这很聪明，”Srubar说。“大自然已经找到了解决这个问题的方法。”
混凝土也面临着冰晶形成的问题，之前的工程师曾试图通过添加气泡来缓解这个问题。所以斯鲁巴和他的团队想:为什么不收集一些这种蛋白质，把它放入混凝土中
不幸的是，这些在自然界中发现的蛋白质不喜欢从它们的自然环境中移除。它们会散开或分解，就像煮过头的意大利面。
混凝土也是非常碱性的，pH值通常超过12或12.5。对于大多数分子来说，这不是一个友好的环境，这些蛋白质也不例外。
所以斯鲁巴和他的研究生使用了一种合成分子——聚乙烯醇，或PVA——它的行为与这些抗冻蛋白完全一样，但在高pH值下更稳定，并与另一种无毒的，强大的分子——聚乙二醇——通常用于制药工业，以延长药物在体内的循环时间。这两种聚合物的分子组合在高pH下保持稳定，并抑制冰晶生长。
增加了压力
混凝土是仅次于水的地球上消耗第二多的材料:每年每人生产两吨。根据斯鲁巴的说法，这意味着至少在未来32年里，每35天就会有一个新的纽约市建成。
“它的制造、使用和处置对环境有重大影响。仅水泥的生产，即我们用来制作混凝土的粉末，就占全球二氧化碳排放量的8%。”
为了实现《巴黎协定》的目标，并将全球气温升幅控制在3.6华氏度以下，建筑业必须在2030年前将排放量减少40%，并在2050年前完全消除排放。气候变化本身只会加剧混凝土和老化基础设施的压力，极端温度和冻融循环在一些地理位置更经常发生。
“今天设计的基础设施在未来将面临不同的气候条件。在未来的几十年里，材料将以一种前所未有的方式进欧洲杯足球竞彩行测试，”Srubar说。“所以我们做的混凝土需要持久。”
该出版物的其他作者包括材料科学与工程项目的Shane Frazier, Anastasia Aday和Elizabeth Delesky;欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球博尔德大学土木、环境和建筑工程专业Mohammad Matar和Jorge Osio-Norgaard。
来源:https://www.cu.edu/