生物制造讓建筑更有“生命力”
發表時間：2023-09-12
來源：科技日報
作者：劉 霞
未來的建筑可能由具有自我修復能力的材料建造而成，比如利用經過基因改造的微生物，生產擁有各種先進性能的生物混凝土。與傳統的建筑技術相比，這種創新工藝可以帶來更可持續的建材，更有效地維護建筑安全。圖片來源：視覺中國
近年來，3D打印、綠色屋頂、太陽能電池板、地熱供暖和制冷系統，以及可持續材料的使用，大大減少了建筑對環境的負面影響，提高了能源利用效率。而生物制造，則有望成為可持續建筑技術領域的“后起之秀”。
生物制造涉及利用經過基因改造的微生物生產擁有先進性能的產品。與建筑技術中使用的傳統方法相比，這種創新工藝可以帶來更可持續的建材，更有效地維護建筑安全。美國《福布斯》網站在8日的報道中，向人們介紹了生物制造技術的新風潮，這種技術有望賦予建筑物更持久的“生命力”。
混凝土能自我修復
大部分建筑物是由鋼筋混凝土建造而成。混凝土是一種復合材料，由細骨料和粗骨料與隨時間硬化（固化）的水泥漿黏合在一起形成。隨著時間的推移，混凝土會變得容易破裂，這不僅影響其美觀，還會危及其強度。而混凝土也是有壽命的，日積月累，混凝土內部會產生復雜的應力作用，撕裂其內部結構，產生裂縫。
材料科學最近取得了一些進展，有望帶來能自行修復的混凝土，對建筑行業來說，這不啻為一個“福音”。在自修復混凝土中，微生物受到營養物質的刺激，會促進自身的生長和代謝活動。這些生物體產生的酶催化反應，最終會形成能愈合裂縫的物質。
例如，荷蘭代爾夫特理工大學教授亨德里克·容克斯發現了一種桿菌——芽孢桿菌。這種桿菌可以在石灰石內生存，也就是說具備生活在混凝土中的能力，并且可以產生孢子。孢子在缺水狀態下休眠，一旦混凝土出現了裂縫，接觸到空氣和水，孢子就會激活，隨即開始生長，生成大量的菌絲進行裂縫填補。這種生物混凝土能在大約3周時間內愈合最多0.5毫米寬的裂縫，大大延長了建筑物的使用壽命。
目前這項技術已經研發出3種產品：自愈混凝土、修補水泥砂漿和修復液。這項技術可以用于建造軍用和民用機場的跑道，這些跑道會隨著時間的推移而磨損。
美國伍斯特理工學院的研究人員則在紅細胞中發現了一種酶，該酶與二氧化碳反應可以產生碳酸鈣晶體，讓混凝土自我修復。在他們的實驗中，經過一天之后，3毫米的裂縫和1.5毫米的小洞都復原如初。
研究指出，未來如果這種微生物修復技術能夠成功應用于橋梁、隧道和道路建設等工程領域，每年有望節省數十億美元的維修費用。而且這種自修復生物材料對混凝土結構修復而言，也具有劃時代的意義。
硅藻可用于水泥制造
水泥廣泛應用于各種建筑內。當干燥的成分與水反應時，水泥就會變成黏合劑，保護硬化材料免受化學侵蝕。但水泥行業也是二氧化碳排放大戶，水泥制造商通過碳捕獲和封存技術來減少二氧化碳排放，提高能源效率和建筑壽命。
生物制造可用于為水泥開發添加劑。例如，將硅藻用于建筑中，以增強水泥的力學和流變特性。硅藻是最早在地球上出現的一種單細胞藻類生物，生存在海水或湖水中，形體極為微小，常常以驚人的速度生長繁殖。硅藻具有多孔二氧化硅細胞壁，可用于水泥內以提高材料的強度。
此外，科學家還可以對硅藻進行基因改造，創造出其他有價值的產品。不過，生物制造技術在將硅藻用于水泥產業時，還需要克服成本問題。
利用生物為建筑“把脈”
結構健康監測技術是近年來新興的一種對建筑物或構筑物進行常規“體檢”和“健康”監測的重要手段，主要方法就是利用智能傳感儀器，例如應變傳感器、裂紋檢測器、振動和測壓計等，對建筑物或構筑物結構進行實時監測、動態管理和趨勢研判。
微生物可以動態地感知和響應不同的環境條件，科學家指出，對生物進行基因改造，可以讓其“變身”為生物傳感器，報告建筑物的特定情況。這為結構健康監測提供了新思路。
美國特拉華大學在混凝土內發現了一些細菌，包括弓形桿菌屬、雜色純潔桿菌、嗜堿鹽水球菌等，這些細菌似乎都跟降解反應有關。研究團隊指出，假設能夠監測諸如建筑物和橋梁等混凝土結構中的這些細菌，那么有朝一日可能會將其用作倒塌風險的早期預警系統。
此外，借助生物制造技術，還可以定制微生物，利用合成生物學精確調整建筑工程的材料等。不過，目前將合成微生物引入建筑工地還面臨技術挑戰。