破解奥秘：解密混凝土自我修复原理

工程技术与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，旨在解决建筑行业中长期存在且代价高昂的难题——使混凝土具备自修复能力。

混凝土是地球上应用最广泛的建筑材料，却存在易开裂的危险缺陷。这些裂缝无论大小均可引发灾难性结构失效，建筑物、桥梁或高速公路的崩塌事故便是明证。

攻克此关键挑战的核心在于理解混凝土的形成机制并加以利用。混凝土由碎石、砂砾与黏土粉、石灰石粉混合制成。加水后，混合物通过名为水合作用的化学反应硬化成型。凝固后的混凝土可承受重型卡车穿行桥梁到摩天大楼住户荷载等各种压力。然而冻融循环、干燥收缩及重载等自然力仍会导致开裂。即便肉眼难辨的微裂缝也会使液体和气体渗入内部钢筋，引发腐蚀并削弱结构强度。

在裂缝危及生命前进行检测是高风险且高成本的挑战，美国每年投入数百亿美元修复混凝土基础设施。对持续使用的桥梁和高速公路实施裂缝定位尤为困难。

"微生物介导的自修复混凝土研究已开展三十余年，"Jin指出，"但其仍存在重大局限——现有自修复方法均非完全自主，因修复剂需外部营养供给才能持续生成修补材料。"例如检测人员费力定位裂缝后，还需向裂缝注射或喷洒营养物，这缺乏实操性。

Jin的解决方案？利用地衣系统原理使混凝土实现无外界干预的自主修复。

地衣依附于树木岩石生长，是我们日常生活中低调的存在。其真正价值在于真菌与藻类（或蓝藻细菌）形成的独特共生系统——这种自我维持的共生关系使其能在最严苛环境中繁衍。

受此启发，Jin与研究团队成员Richard Wilson博士、Nisha Rokaya及Erin Carr（内布拉斯加大学林肯分校）在DARPA青年教授奖计划资助下，成功模拟天然地衣协作机制创制出合成地衣系统。

该系统利用蓝藻细菌将空气和阳光转化为养分，丝状真菌则生成填补裂缝的矿物。这些微生物仅需空气、光照和水即可协同存活。该系统的自主性使其区别于以往的自修复混凝土研究。

实验室测试表明，即使在混凝土等严苛环境中，这类微生物组合仍能生长并产出裂缝填充矿物。

Jin的研究超越实验室范畴，她正与德州农工大学社会科学教授合作，深入探究公众对建筑中使用生物体的接受度，以及相关的伦理、社会、环境与法律问题。

这项突破性研究具有深远的应用潜力。

自修复混凝土可大幅降低维护成本，延长使用寿命，并通过提升安全性挽救生命。其对可持续建造的所有领域（包括太空基础设施）都将产生重大影响。