Calcestruzzo vivente progettato con batteri e sabbia


Questa fotografia mostra cianobatteri fotosintetici verdi che crescono e mineralizzano nella struttura sabbia-idrogel. Il materiale vivente ha una resistenza simile alla malta di base di cemento. Credito: College of Engineering and Applied Science presso Colorado University Boulder

Cemento e cemento non sono cambiati molto come tecnologia in oltre cento anni, ma i ricercatori in Colorado stanno rivoluzionando i materiali da costruzione portandoli letteralmente in vita. Il metodo sviluppato, presentato il 15 gennaio 2020, sulla rivista Matter,combina sabbia e batteri per costruire un materiale vivo che ha carico strutturale e funzione biologica.

Il team ha creato un’impalcatura di sabbia e idrogel per far crescere i batteri. L’idrogel mantiene l’umidità e le sostanze nutritive per i batteri a proliferare e mineralizzare, un processo simile alla formazione di conchiglie nell’oceano. Combinando i tre, i ricercatori hanno creato un materiale vivo verde che dimostra una resistenza simile alla malta a base di cemento.

“Usiamo cianobatteri fotosintetici per biomineralizzare lo scaffold, quindi in realtà è davvero verde. Sembra un materiale di tipo Frankenstein”, dice l’autore senior Wil Srubar, a capo del Laboratorio di Materiali Viventi presso l’Università del Colorado Boulder. “Questo è esattamente ciò che stiamo cercando di creare, qualcosa che rimanga vivo.

Questa fotografia mostra cianobatteri fotosintetici verdi che crescono e mineralizzano nella struttura sabbia-idrogel. Il materiale vivente ha una resistenza simile alla malta di base di cemento. Credito: College of Engineering and Applied Science presso Colorado University Boulder

Il mattone di sabbia idrogel non è solo vivo, ma si riproduce anche. Dividendo il mattone a metà, i batteri possono crescere in due mattoni completi con l’aiuto di sabbia extra, idrogel e sostanze nutritive. Invece di produrre i mattoni uno per uno, Srubar e il suo team hanno dimostrato che un mattone genitore potrebbe riprodurre fino a otto mattoni dopo tre generazioni.

“Ciò che ci entusiasma molto è che questo sfida i modi convenzionali in cui produciamo materiali strutturali da costruzione”, afferma Srubar. “Dimostra davvero la capacità della produzione esponenziale di materiali.”

Il calcestruzzo è il secondo materiale più consumato sulla terra dopo l’acqua. La produzione di cemento, la polvere per fare cemento, da sola è responsabile del 6 per cento delle emissioni di CO2, e il calcestruzzo rilascia CO2 anche quando si cura. Il metodo sviluppato da Srubar e dal suo team fornisce un’alternativa verde ai materiali da costruzione moderni. Tuttavia, c’è un compromesso con questo materiale verde.

Il mattone deve essere completamente essiccato per raggiungere la massima capacità strutturale (cioè la forza), ma allo stesso tempo, l’essiccazione stressa i batteri e ne compromette la vitalità. Per mantenere la funzione strutturale e garantire la sopravvivenza microbica, il concetto di umidità relativa ottimale e condizioni di stoccaggio è fondamentale. Utilizzando l’umidità e la temperatura come interruttori fisici, i ricercatori possono controllare quando i batteri crescono e quando il materiale rimane inattivo per svolgere funzioni strutturali.

“Si tratta di una piattaforma di materiali che pone le basi per nuovi materiali entusiasmanti che possono essere progettati per interagire e rispondere ai loro ambienti”, afferma Srubar. “Stiamo solo cercando di dare vita ai materiali da costruzione, e penso che questa sia la pepita di tutta questa faccenda. Stiamo solo grattando la superficie e gettando le basi di una nuova disciplina. Il cielo è il limite.”

Il passo successivo per Srubar e il suo team è quello di esplorare le numerose applicazioni che la piattaforma di materiali porta. Srubar immagina l’introduzione di batteri con diverse funzionalità alla piattaforma dei materiali per creare nuovi materiali con funzioni biologiche, come quelle che rilevano e rispondono alle tossine nell’aria. Altre applicazioni includono strutture di costruzione in cui ci sono risorse limitate come il deserto o anche un altro pianeta -Mars.

“In ambienti austeri, questi materiali funzionerebbero particolarmente bene perché usano la luce del sole per crescere e proliferare con pochissimo materiale esogeno necessario per la loro crescita,” dice Srubar. “Succederà in un modo o nell’altro, e non camioneremo sacchi di cemento fino a Marte. Penso davvero che porteremo la biologia con noi una volta che andremo.”

Riferimento: “Biomineralizzazione e rigenerazione successiva di materiali da costruzione viventi ingegnerizzati” di Chelsea M. Heveran, Sarah L. Williams, Jishen Qiu, Juliana Artier, Mija H. Hubler, Sherri M. Cook, Jeffrey C. Cameron e Wil V. Srubar III, 15 gennaio 2020, Matter.
DOI: 10.1016/j.matt.2019.11.016

Il lavoro raffigurato è sponsorizzato dalla Defense Advanced Research Projects Agency.