Soos die wêreld worstel met klimaatverandering, moet ons dringend maniere vind om ons CO₂-uitstoot te verminder. Sektore wat baie afhanklik is van fossielbrandstowwe, soos energie en lugvaart, word gereeld beskou as die ergste oortreders. Maar wat die meeste mense nie besef nie, is dat daar 'n ander skuldige is wat wegkruip; op die strate van ons stede en in die geboue waar ons woon en werk.
In 2007 alleen, staal en beton was elkeen verantwoordelik vir meer CO₂-uitstoot as die hele wêreldlugvaartbedryf. Voordat u die bouperseel bereik, moet beide staal en sement by baie hoë temperature verwerk word - en dit neem baie energie in. Hoe kan ons dus ons afhanklikheid van hierdie "vuil" materiale verminder as dit so 'n belangrike rol speel in die konstruksie?
Een opsie is om natuurlike materiale, soos hout, te gebruik. Mense bou al met hout duisende jareen houtstrukture is tans 'n geringe herlewing - deels omdat dit 'n goedkoop en volhoubare materiaal is.
Maar daar is 'n paar nadele verbonde aan die bou van hout; die materiaal kan in vogtige toestande skeefloop en is vatbaar vir aanvalle deur plae soos termiete. En hoewel natuurlike materiale, soos hout, vanuit 'n omgewingsperspektief aantreklik is, kan dit onbevredigend wees vir ingenieurs wat komponente in 'n spesifieke vorm of grootte wil vervaardig.
Die lewe kopieer
Dus, wat as ons, in plaas van om natuurlike materiale te gebruik soos ons dit vind, nuwe materiale maak wat deur die natuur geïnspireer is? Hierdie idee het traksie in die navorsingsgemeenskap in die 1970's begin kry en het in die 1990's regtig ontplof, met die ontwikkeling van nanotegnologie en nanofabrikasie metodes. Vandag vorm dit die basis van 'n nuwe veld van wetenskaplike navorsing, naamlik 'biomimetika' - letterlik 'kopiëring van die lewe'.
Daar word dikwels na biologiese selle verwys as "die boustene van die lewe", Omdat dit die kleinste eenhede van lewende materie is. Maar om 'n multi-sellulêre organisme soos u of ek te skep, moet selle saamsmelt met 'n ondersteuningstruktuur om die biologiese materiale te vorm waaruit ons bestaan, weefsels soos been, kraakbeen en spiere. Dit is materiale soos hierdie waarna wetenskaplikes wat in biomimetika belangstel, hulle inspireer.
Om biomimetiese materiale te maak, moet ons 'n diepgaande begrip hê van hoe natuurlike materiale werk. Ons weet dat natuurlike materiale ook 'komposiete' is: hulle bestaan ​​uit verskillende basismateriaal, elk met verskillende eienskappe. Saamgestelde materiale is dikwels ligter as enkelkomponentmateriale, soos metale, terwyl dit steeds wenslike eienskappe het soos styfheid, sterkte en taaiheid.
Die maak van biomimetiese materiale
Materiaalingenieurs bestee dekades lank die samestelling, struktuur en eienskappe van natuurlike materiale soos been en eierdop, sodat ons nou 'n goeie begrip het van hul eienskappe.
Ons weet byvoorbeeld dat been bestaan ​​uit gehidreerde proteïne en minerale, in byna eweredige verhoudings. Die mineraal verleen styfheid en hardheid, terwyl die proteïen taaiheid en breukweerstand verleen. Alhoewel bene kan breek, is dit relatief skaars, en hulle het die voordeel om dit te wees self-genesing - Nog 'n funksie wat ingenieurs probeer om biomimetiese materiale te bring.
Soos been, is eierdop 'n saamgestelde materiaal, maar dit is ongeveer 95% mineraal en slegs 5% gehidreerde proteïene. Maar selfs die klein hoeveelheid proteïene is voldoende om die eierdop baie taai te maak, agv die dunheid daarvan - soos die meeste ontbytkokke al agtergekom het. Die volgende uitdaging is om hierdie kennis te omskep in iets vaste.
Daar is twee maniere om natuurlike materiale na te boots. Of u kan die samestelling van die materiaal self naboots, of u kan die proses waardeur die materiaal gemaak is, kopieer. Aangesien natuurlike materiale deur lewende wesens vervaardig word, is daar geen hoë temperature by een van hierdie metodes betrokke nie. As sodanig neem biomimetiese materiale - ons noem dit 'neo-been' en 'neo-eierdop' baie minder energie om te produseer as staal of beton.
In die laboratorium het ons daarin geslaag om te maak monsters van sentimeter van neo-been. Ons doen dit deur verskillende proteïenoplossings voor te berei met die komponente wat been minerale maak. 'N Saamgestelde neo-botmateriaal word dan op 'n biomimetiese manier by liggaamstemperatuur uit hierdie oplossings neergesit. Daar is geen rede dat hierdie proses - of 'n verbeterde, vinniger weergawe daarvan - nie op industriële vlak opgeskaal kon word nie.
Natuurlik is staal en beton oral, so die manier waarop ons geboue ontwerp en konstrueer, is optimaal vir hierdie materiale. Om biomimetiese materiale op groot skaal te begin gebruik, moet ons ons boukodes en standaarde vir konstruksiemateriaal volledig heroorweeg. Maar dan, as ons toekomstige stede op 'n volhoubare manier wil bou, is dit miskien presies wat nodig is. Die wetenskap is nog in sy kinderskoene, maar dit beteken nie dat ons nie oor die toekoms kan droom nie.
Michelle Oyen, leser in bio-ingenieurswese, Universiteit van Cambridge
Jy is hier: Tuis > Sosiale en politieke > omgewing > klimaat > Oplossings > Kan toekomstige geboue met been en eierskappe gemaak word?