未来的建筑物可以用骨头和蛋壳制成吗?

未来的建筑物可以用骨头和蛋壳制成吗?

随着世界的努力 气候变化,我们迫切需要找到减少二氧化碳排放量的方法。 严重依赖化石燃料的行业,例如能源和 航空,通常被认为是最严重的罪犯。 但是,大多数人没有意识到的是,还有另一个罪魁祸首,躲藏在视线之外。 在我们城市的街道上以及我们生活和工作的建筑物中。

仅在2007中, 钢材和混凝土 与整个全球航空业相比,它们各自造成的二氧化碳排放量更多。 在到达施工现场之前,钢铁和水泥都必须在非常高的温度下进行处理-这会消耗大量能量。 那么当这些“脏”材料在建筑中起着至关重要的作用时,我们如何减少对它们的依赖呢?

一种选择是使用天然材料,例如木材。 人们一直在用木头建造 几千年来,而木结构是 目前正在复苏 –部分是因为它是一种廉价且可持续的材料。

但是有一些 用木头建造的缺点; 该材料在潮湿条件下会翘曲,并且容易受到诸如白蚁等害虫的攻击。 尽管从环境的角度来看,木材等天然材料具有吸引力,但对于可能希望将部件制造成特定形状或尺寸的工程师而言,它们可能并不令人满意。

复制生活

那么,如果不是制造天然材料而是使用受自然启发的新材料呢? 随着1970的发展,这个想法开始在1990的研究社区中引起人们的注意,并在XNUMX中真正爆发。 纳米技术和纳米制造方法。 如今,它已成为科学研究新领域的基础:即“仿生生物” –实际上就是“复制生命”。

生物细胞通常被称为“生活的基础”,因为它们是生物的最小单位。 但是要创建像您或我这样的多细胞生物,细胞必须与支持结构聚集成在一起,以形成我们由其构成的生物材料,例如骨骼,软骨和肌肉等组织。 像这样的材料,对仿生技术感兴趣的科学家已经从中寻求灵感。

为了制造仿生材料,我们需要对天然材料的工作原理有深刻的了解。 我们知道,天然材料也是“复合材料”:它们由多种不同的基础材料制成,每种材料具有不同的特性。 复合材料通常比诸如金属的单组分材料轻,同时仍具有所需的特性,例如刚度,强度和韧性。


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制作仿生材料

材料工程师花费了数十年的时间来测量天然材料(例如骨头和蛋壳)的组成,结构和性能,因此我们现在对它们的特性有了很好的了解。

例如,我们知道骨骼由水合蛋白质和矿物质组成,比例几乎相等。 矿物赋予硬度和硬度,而蛋白质赋予韧性和抗断裂性。 尽管骨头会折断,但它相对稀少,而且它们具有以下优点: 自愈 –工程师试图将仿生材料引入的另一个功能。

蛋壳像骨头一样,是一种复合材料,但它的矿物质含量约为95%,而水合蛋白质仅为5%。 然而,考虑到它的薄薄程度,即使是少量的蛋白质也足以使蛋壳变得非常坚硬-正如大多数早餐厨师会注意到的那样。 下一个挑战是将这些知识变成扎实的东西。

有两种模拟天然材料的方法。 您可以模仿材料本身的组成,也可以复制材料的制造过程。 由于天然材料是由生物制成的,因此这两种方法都不会涉及高温。 因此,仿生材料(我们称其为“新骨”和“新蛋壳”)比钢或混凝土消耗的能源要少得多。

在实验室里,我们成功地 厘米尺度的样本 新骨。 为此,我们准备了具有骨骼矿物质成分的蛋白质不同溶液。 然后在人体温度下以仿生方式从这些溶液中沉积新骨复合材料。 没有理由不将该过程或其改进,更快的版本扩展到工业水平。

当然,钢和混凝土无处不在,因此针对这些材料优化了我们设计和建造建筑物的方式。 要开始大规模使用仿生材料,我们需要完全重新考虑建筑材料的建筑规范和标准。 但是,如果我们想以可持续的方式建设未来的城市,也许正是需要进行重大的重新思考。 科学还处于起步阶段,但这并不意味着我们不能对未来抱有很大的梦想。

关于作者

剑桥大学生物工程专业的读者Michelle Oyen

这篇文章最初出现在谈话

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