揭秘混凝土自我修复的技术原理

为了应对建筑领域中最持久且成本高昂的问题之一，工程技术及工业分销系助理教授Jin从自然界汲取灵感，开发了一种合成地衣系统，使混凝土能够自我修复。

混凝土是地球上使用最广泛的建筑材料，但它存在易开裂的危险缺陷。这些或大或小的裂缝可能导致灾难性的结构失效，正如建筑物、桥梁或高速公路的倒塌所见证的那样。

克服这一关键挑战的关键在于理解混凝土的形成方式以及如何利用该过程。混凝土通过碎石、沙子与粉状粘土和石灰石混合制成。加入水后，混合物通过称为水合反应的化学过程硬化。一旦凝固，其强度足以支撑从过桥的18轮大卡车到高耸摩天大楼内的居民等一切负载。然而，冻融循环、干燥收缩和重载等自然力会导致裂缝。即使是肉眼几乎看不见的裂缝，也会让液体和气体渗入内部的钢筋，引起腐蚀并削弱结构。

在裂缝危及生命前发现它们是一项高风险且昂贵的挑战，美国每年花费数千亿美元修复混凝土基础设施。在持续使用的桥梁和高速公路上定位裂缝尤其困难。

Jin表示："微生物介导的自修复混凝土已被广泛研究了三十多年，但它仍存在一个重要局限——目前所有的自修复方法都不是完全自主的，因为它们需要外部提供营养物质来维持修复剂持续生成修复材料。"例如，检测人员历经艰辛定位裂缝后，可能仍需向裂缝内注入或喷洒营养物质，这并不实用。

Jin的解决方案？利用地衣系统的力量，使混凝土无需外界干预即可自我修复。

地衣在我们的日常生活中低调存在，常见于依附树木和岩石的表面。它真正的美在于其独特的真菌与藻类或蓝藻细菌共生系统，形成了自维持的伙伴关系，使其能在最严苛的环境中繁衍生息。

受此启发，Jin与她的研究人员——内布拉斯加大学林肯分校的Richard Wilson博士、Nisha Rokaya和Erin Carr——在美国国防高级研究计划局（DARPA）青年教师奖项目的资助下，创建了一种能像天然地衣一样协同作用的合成地衣系统。

他们的系统利用能将空气和阳光转化为养分的蓝藻细菌，以及能产生矿物密封裂缝的丝状真菌。这些微生物协同工作，仅需空气、光照和水即可存活。该系统的自主性使其有别于以往的自修复混凝土尝试。

在实验室测试中，这对微生物组合甚至在混凝土等挑战性环境中也能生长并产生裂缝填充矿物。

Jin的研究不仅限于实验室，她还考虑了更广泛的影响。她正与德州农工大学社会科学系的教授合作，以更好地理解公众对在建筑中使用生物体的看法，以及所涉及的伦理、社会、环境和法律问题。

这项开创性研究具有深远的潜力和应用前景。

能够自我修复的混凝土可显著降低维护成本，延长使用寿命，并通过增强安全性挽救生命。它还可能对包括太空基础设施在内的可持续建筑各个领域产生重大影响。