破解密码：揭示混凝土如何实现自修复

为了应对建筑领域最棘手且代价高昂的问题之一，工程技术及工业分销系助理教授金（Jin）从自然界汲取灵感，开发出一种合成地衣系统，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、桥梁或高速公路倒塌事故中所见。

克服这一关键挑战的核心在于理解混凝土的形成原理并利用该过程。混凝土由碎石、沙粒与粉末状粘土和石灰石混合制成。加水后，混合物通过称为水合作用的化学反应硬化。一旦凝固，其强度足以承载从穿越桥梁的18轮大卡车到居住于摩天大楼中的人类等所有荷载。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，也可能让液体和气体渗入钢筋，引发腐蚀并削弱结构。

在裂缝危及生命之前发现它们是一项高风险且高成本的挑战，美国每年需花费数百亿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为困难。

"微生物介导的自修复混凝土已被深入研究超过三十年，"金教授表示，"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，因为它们需要外部供应营养物，使修复剂持续产生修复材料。"例如，检测人员费力定位裂缝后，可能还需向裂缝注入或喷洒营养物，这并不实用。

金的解决方案是什么？利用地衣系统的力量，使混凝土无需外部干预即可自我修复。

地衣在我们的日常世界中是一种低调的存在，常见于附着在树木和岩石上。其真正的美在于其独特的真菌与藻类或蓝藻共生系统，这种自维持的伙伴关系使其能在最恶劣的环境中繁衍生息。

受此启发，金教授与她的研究人员——内布拉斯加大学林肯分校的Richard Wilson博士、Nisha Rokaya和Erin Carr，在DARPA青年教师奖项目的资助下，创建出能像自然地衣般协同作用的合成地衣系统。

该系统利用能将空气和阳光转化为养分的蓝藻，以及产生填补裂缝矿物质的丝状真菌。这些微生物仅需空气、光和水即可共生共存。该系统的自主性使其区别于以往的自修复混凝土尝试。

实验室测试中，即使在混凝土等严苛环境下，这些微生物对仍能生长并产生裂缝填充矿物质。

金教授的研究不仅限于实验室，她正与得克萨斯农工大学社会科学系的教授合作，以深入理解公众对建筑中使用生物体的看法，以及相关的伦理、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。

具备自我修复能力的混凝土可显著降低维护成本、延长使用寿命，甚至通过提高安全性挽救生命。它还将对包括太空基础设施在内的可持续建筑各领域产生重大影响。