بتن زنده، بتنی خود ترمیم کننده
قرن‌هاست روش ساخت بتن تقریبا ثابت است. مواد سختی چون شن و ماسه را با چسب‌های مختلف مخلوط می‌کنند و ماده‌ای می‌سازند که برای مدت‌های طولانی ثابت و محکم بمانند
امروزه، فناوری بتن‌هایی ساخته است موسوم به بتن‌های زنده که توانایی تولید مثل و ترمیم خود را دارند.فارغ از واکنش‌های شیمیایی، مواد معدنی موجود در مواد جدید توسط سیانوباکتریها که گروهی متداول از میکروب‌ها هستند و از طریق فتوسنتز جذب انرژی می‌کنند، در بتن رسوب می‌کنند. بتن در فرآیند فتوسنتز، دی اکسید کربن را جذب می‌کند.
بتن‌های زنده
ایده مخلوط کردن موجودات زنده و مواد معدنی سازنده بتن چندان عجیب نیست. امروزه بتن‌هایی که توانایی ترمیم ترک‌های خود را داشته باشند به موضوعی داغ و جذاب تبدیل شده است. بخشی از مقاومت بتن حین پخت و با تشکیل کربنات‌ها ایجاد می‌شود. بسیاری از موجودات زنده توانایی تولید سازه‌های ساخته شده از رسوب کربنات‌ها را دارند. این سازه‌ها، اغلب ساختارهایی بسیار مقاوم و ترکیبی از پروتئین‌ها و کربنات‌ها هستند؛ مانند پوسته‌های بسیاری از حیوانات آبزی.
بدین ترتیب، تحقیقات زیادی پیرامون موضوع بتن سازه‌ای ادغام شده با زیست‌‌شناسی انجام شده است. این ایده با توجه به توانایی برخی مجودات زنده در ساخت کربنات‌های ساختاری بدست آمد. از جمله تلاش‌های انجام شده در زمینه ساخت بتن به لطف وجود میکروب‌های تولیدکننده کربنات، بتن‌های خود ترمیم‌شونده هستند.
مساله این است که محیط بتن سازگار با حیات نیست. در مراحل اولیه ساخت بتن گرمای زیادی آزاد می‌شود و pH پس از مدت زمان زیادی بعد از ساخت بتن، بسیار بالا می‌رود. بنابراین، آن‌چه مورد تحقیق قرار می‌گیرد، محافظت از قسمت‌های زنده در برابر بخش بتنی است.
تیمی در دانشگاه کلرادو در خصوص این موضوع انجام شده است. در این تحقیق سعی بر این است که کربنات‌های تولید شده توسط موجودات زنده به یکی از بخش‌های اصلی سازنده مواد بتن تبدیل شوند. البته این تلاش چندان ثمربخش نبوده است.
گام نخست، یافتن ارگانیسمی مناسب برای تولید کربنات‌ها بود. در حالت ایده‌آل موجودی لازم است که نیاز به مراقبت چندانی نداشته باشد و خود بتواند در مواد خود را تنظیم کند؛ بنابراین تا مدت زمانی نیاز به توجه به آن‌ها وجود نداشته باشد. گونه‌ای از باکتری‌ها به نام سینوکوکوس از انواع سیانوباکتریها اولین باکتری‌هایی مورد تحقیق بودند. مزیت استفاده از این نوع باکتری این است که برای تولید کربنات‌ها دی اکسید کربن به منبع خاصی از کربن نیاز ندارند و با بیرون کشیدن دی اکسید کربن از هوا، به آن‌چه نیاز دارند می‌رسند. همچنین سیانوباکتریها آبزی هستند و مواد مورد نیاز خود را از محیط آب دریافت می‌کنند.
بتن به طور معمول ترکیبی از ماده اتصال‌دهنده و پرکننده ساختاری است. بتن زنده نیز به این مواد نیاز دارد. محققان در ساخت بتن زنده از دو ماده ارزان قیمت شن و ماسه استفاده کردند. در این تحقیق، کربنات با روندی آهسته تشکیل شد و سیانوباکتریها مدتی پس از قرارگیری در بتن هیچ نقش ساختاری نداشتند. بنابراین به دنبال راهی برای نگه‌داشتن ثمربخش سیانوباکتریها در کنار هم جستجو کردند. جواب ساده و زیست سازگار به این پاسخ، استفاده از ژلاتین است. ماده‌ای که برای ساخت خوراکی‌های نرم و ژله‌مانند استفاده می‌شود.
محققین ژلاتین، باکتری‌ها و سوسپانسیون ماسه را با یکدیگر مخلوط کردند. در این ساختار، در مدت زمانی مناسب سیانوباکتریها کربنات لازم را تشکیل دادند. تا زمانی که این مخلوط در محیطی با رطوبت حداقل 50% نگه‌داشته شود، ژلاتین به اندازه کافی آب جذب می‌کند تا هیدروژلی را حفظ کند که در آن حداقل یک هفته باکتری‌ها عملکری مناسب داشته باشند. ژلاتین با ایجاد پیوندهای خاص بین مولکول‌های خود زمینه را برای افزودن سیانوباکتریها تقویت می‌کند.
فعالیت متابولیکی سیانوباکتریها را از طریق دما نیز می‌توان تنظیم کرد: ساختار دقیقا در بالای دمای انجام نگه‌داشته شود. اگرچه در این دما باکتری‌ها عمر طولانی‌تری دارند اما بازده رسوب کربنات پایین می‌‌آید. بنابراین به قیمت کاهش طول عمل باکتری‌ها، دمای اتاق را افزایش دهید تا کربنات بیشتری ایجاد شود. رسوبات کربنات کلسیم، ماسه را تبدیل به سیمان می‌کند.
بلوک‌های کوچک مکعبی تولید شده از این فرآیند، در هوای نسبتا خشک انباشته می‌شوند، در طول روز به حداکثر مقاومت خود می‌رسند و باکتری‌ها به تدریج از بین می‌روند. با این‌حال حتی پس از چند هفته، بلوک‌ها زنده هستند و پس از این‌که مجددا در معرض دما و رطوبت قرار گرفتند، شروع به احیا می‌کنند. بلوک‌ها قابلیت احیا و استفاده تا سه نسل جدید را دارند.
بتن ساخته شده از سیانوباکتریها کربن دی‌اکسید آزاد نمی‌کند و با جذب آن از هوا، اکسیژن تولید می‌کند. از این رو برای حفظ هوا بسیار مناسب است.
وزارت دفاع، استفاده از موادی با توانایی تولید مثل – مواد ساختمانی زنده – برای کمک به ساخت و ساز در محیط‌های دورافتاده یا صعب العبور را ترجیح می‌دهد. همچنین این بتن‌ها برای ساخت ساختمان در محیط‌هایی که منابع کمی وجود دارد و در سیارات دیگری چون مریخ، بسیار کاربردی خواهند بود.
با توجه به کمبود ماسه در جهان، می‌توان از مواد دیگری چون شیشه آسیاب شده یا بتن بازیافتی استفاده کرد.
با همه این مزایا، چرا بتن زنده هیجان‌انگیز نیست؟
مشکل بزرگ اینجاست که تا زمانی که ژلاتین هیدراته نگه‌داشت شود، مواد نیز به صورت ژلاتینی حفظ می‌شوند. سیانوباکتریها قادر به تولید کربنات کافی در طول یک هفته نیستند و نمی‌توانند سختی لازم را به بتن بدهند. بنابراین برای داشتن عملکرد بهتر، محیط باید خشک شود و باکتری‌ها از بین بروند. با خشک شدن ژلاتین، ساختاری مشبک حاوی پروتئین‌های مخلوط با کربنات کلسیم (که توسط سیانوباکتریها تولید می‌شوند – ترکیبی از گچ و کلسیت) تشکیل می‌شود. این محیط، ساختاری مقاوم ایجاد می‌کند.
بدین ترتیب، مواد می‌توانند یا زنده باشند، یا بتنی. امکان وجود هر دو به صورت هم زمان وجود ندارد. پس، ماده‌ای خود ترمیم‌کننده نخواهیم داشت مگر این‌که محیطی ژلاتینی برای آن ایجاد کنیم. شبکه ژلاتین خشک شده در اطراف ماسه مقاومت بسیاری بالا دارد. وجود سیانوباکتریها مقاومت بتن در برابر شکستگی را تا حدود 15% بهبود بخشید.
به طور کلی، وجود سیانوباکتریها و ترکیب مذکور قابلیت‌هایی به بتن اضافه می‌کند. ممکن است با تغییر سیانوباکتری مذکور، تحمل آن‌ها نسبت به شرایط خشک افزایش یابد و عمرشان در ماده جامد عامل افزایش یابد. علاوه بر سینوکوکوس، باکتری‌های مختلفی از آغاز تا کنون برای ساخت بتن زنده مورد استفاده قرار گرفتند:
- · باسیلوس پاستوری ایزینگ
- · اشریشیا کلای
- · باسیلوس سوبتیلیس
- · باسیلوس کهنی
- · باسیلوس بالودورانز
- · باسیلوس سودوفرموس
آن‌چه به‌طور بلقوه قابل افزایش است، تولید کربنات‌هاست. تا زمانی که سیانوباکتریها زنده هستند، می‌توان درصد بیشتری کربنات کلسیم تولید کرد. ممکن است با جایگزین کردن ماده‌ای دیگر با ژلاتین، بتوان در یک محیط مرطوب شبکه‌ای قوی تشکیل داد. تمامی موارد مذکور، نیاز به تحقیق و سعی و خطا دارند.
همه این موارد باعث شده‌اند که موضوع بتن زنده، از جذاب‌ترین موضوعات روز فناوری باشد. این فناوری هنوز به طور کامل توسعه نیافته است و محققین مسیری طولانی برای به ثمر نشاندن آن در پیش دارند.
نظرات :