Un material de construcción vivo (LBM) es un material utilizado en la construcción o el diseño industrial que se comporta de manera similar a un organismo vivo . Algunos ejemplos incluyen: biocemento autoreparable, [1] reemplazo de hormigón autorreplicante, [2] y compuestos a base de micelio para construcción y embalaje . [3] [4] Los proyectos artísticos incluyen componentes de construcción y artículos para el hogar. [5] [6] [7] [8]
El desarrollo de materiales de construcción vivos comenzó con la investigación de métodos para mineralizar el hormigón, inspirados en la mineralización de los corales . El uso de la precipitación de calcita inducida microbiológicamente (MICP) en el hormigón fue iniciado por Adolphe et al. en 1990, como método para aplicar un revestimiento protector a las fachadas de los edificios . [9]
En 2007, Ecovative Design , una empresa derivada de la investigación realizada en el Instituto Politécnico Rensselaer , presentó "Greensulate", un material de aislamiento de edificios a base de micelio . [10] [11] Los compuestos de micelio se desarrollaron posteriormente para embalajes , absorción acústica y materiales de construcción estructurales como ladrillos . [12] [13] [14]
En el Reino Unido , el proyecto Materiales para la Vida (M4L) se fundó en la Universidad de Cardiff en 2013 para "crear un entorno construido y una infraestructura que sea un sistema sostenible y resistente que comprenda materiales y estructuras que se controlen, regulen, adapten y reparen continuamente sin necesidad de intervención externa". [15] M4L condujo a los primeros ensayos de hormigón autorreparador del Reino Unido. [16] En 2017, el proyecto se expandió a un consorcio liderado por las universidades de Cardiff, Cambridge , Bath y Bradford , cambiando su nombre a Resilient Materials 4 Life (RM4L) y recibiendo financiación del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas . [16] Este consorcio se centra en cuatro aspectos de la ingeniería de materiales: autocuración de grietas a múltiples escalas; autocuración de daños por carga cíclica y dependiente del tiempo; autodiagnóstico y curación de daños químicos; y autodiagnóstico e inmunización contra daños físicos. [17]
En 2016, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) del Departamento de Defensa de los Estados Unidos lanzó el programa Engineered Living Materials (ELM). [18] El objetivo de este programa es "desarrollar herramientas y métodos de diseño que permitan la ingeniería de características estructurales en sistemas celulares que funcionen como materiales vivos, abriendo así un nuevo espacio de diseño para la tecnología de la construcción... [y] validar estos nuevos métodos a través de la producción de materiales vivos que puedan reproducirse, autoorganizarse y autocurarse". [19] En 2017, el programa ELM contrató a Ecovative Design para producir "un material de construcción compuesto híbrido vivo... [para] reprogramar genéticamente ese material vivo con una funcionalidad receptiva [como] la reparación de heridas... [y para] reutilizar y redistribuir rápidamente [el] material en nuevas formas, figuras y aplicaciones". [20] En 2020, un grupo de investigación de la Universidad de Colorado , financiado por una subvención ELM, publicó un artículo después de crear con éxito hormigón que se regenera exponencialmente . [2] [21] [22]
El hormigón autorreplicante se produce utilizando una mezcla de arena e hidrogel , que se utilizan como medio de crecimiento para que crezcan las bacterias synechococcus . [2]
La mezcla de arena e hidrogel con la que se fabrica el hormigón autorreplicante tiene un pH más bajo , una fuerza iónica más baja y temperaturas de curado más bajas que una mezcla de hormigón típica , lo que le permite servir como medio de crecimiento para las bacterias. A medida que las bacterias se reproducen, se propagan por el medio y lo biomineralizan con carbonato de calcio , que es el principal contribuyente a la resistencia y durabilidad generales del material. Después de la mineralización, el compuesto de arena e hidrogel es lo suficientemente fuerte como para usarse en la construcción, como hormigón o mortero . [2]
Las bacterias del hormigón autorreplicante reaccionan a los cambios de humedad : son más activas (y se reproducen más rápido) en un entorno con una humedad del 100 %, aunque una reducción al 50 % no tiene un gran impacto en la actividad celular. Una humedad más baja da como resultado un material más resistente que una humedad alta. [2]
A medida que las bacterias se reproducen, su actividad de biomineralización aumenta, lo que permite que la capacidad de producción se escale exponencialmente. [2]
Las propiedades estructurales de este material son similares a las de los morteros a base de cemento Portland : tiene un módulo elástico de 293,9 MPa y una resistencia a la tracción de 3,6 MPa (el valor mínimo requerido para el hormigón a base de cemento Portland es de aproximadamente 3,5 MPa); [2] sin embargo tiene una energía de fractura de 170 N, que es mucho menor que la mayoría de las formulaciones de hormigón estándar, que pueden alcanzar hasta varios kN.
El hormigón autorreplicante se puede utilizar en una variedad de aplicaciones y entornos, pero el efecto de la humedad en las propiedades del material final (ver arriba) significa que la aplicación del material debe adaptarse a su entorno. En entornos húmedos, el material se puede utilizar para rellenar grietas en carreteras , paredes y aceras, filtrándose en cavidades y creciendo hasta convertirse en una masa sólida a medida que fragua; [23] mientras que en entornos más secos se puede utilizar estructuralmente, debido a su mayor resistencia en entornos de baja humedad.
A diferencia del hormigón tradicional, cuya producción libera enormes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera, las bacterias utilizadas en el hormigón autorreplicante absorben dióxido de carbono, lo que da como resultado una menor huella de carbono . [24]
Este hormigón autorreplicante no pretende sustituir al hormigón estándar, sino crear una nueva clase de materiales, con una combinación de resistencia, beneficios ecológicos y funcionalidad biológica. [25]
El biocemento es un material agregado de arena producido a través del proceso de precipitación de calcita inducida microbiológicamente (MICP). [27] [26] Es un material respetuoso con el medio ambiente que se puede producir utilizando una variedad de materiales , desde desechos agrícolas hasta relaves mineros . [28]
Los organismos microscópicos son el componente clave en la formación del biohormigón, ya que proporcionan el sitio de nucleación para que el CaCO3 precipite en la superficie. [26] Los microorganismos como Sporosarcina pasteurii son útiles en este proceso, ya que crean entornos altamente alcalinos donde el carbono inorgánico disuelto (CID) está presente en grandes cantidades. [29] [ verificación fallida ] Estos factores son esenciales para la precipitación de calcita inducida microbiológicamente (MICP), que es el principal mecanismo en el que se forma el biohormigón. [27] [26] [29] Otros organismos que se pueden utilizar para inducir este proceso incluyen microorganismos fotosintetizadores como microalgas , cianobacterias y bacterias reductoras de sulfato (SRB) como Desulfovibrio desulfuricans . [27] [30]
La nucleación del carbonato de calcio depende de cuatro factores principales:
Siempre que las concentraciones de iones de calcio sean lo suficientemente altas, los microorganismos pueden crear dicho entorno a través de procesos como la ureólisis. [27] [31]
Se están produciendo avances rápidos en la optimización de métodos para utilizar microorganismos para facilitar la precipitación de carbonato. [27]
El biocemento es capaz de "autocurarse" gracias a las bacterias, el lactato de calcio, el nitrógeno y los componentes de fósforo que se mezclan con el material. [28] Estos componentes tienen la capacidad de permanecer activos en el biocemento hasta 200 años. El biocemento, como cualquier otro hormigón, puede agrietarse debido a fuerzas y tensiones externas. Sin embargo, a diferencia del hormigón normal, los microorganismos del biocemento pueden germinar cuando se introducen en el agua. [32] La lluvia puede suministrar esta agua, que es un entorno en el que se encontraría el biocemento. Una vez introducidas en el agua, las bacterias se activarán y se alimentarán del lactato de calcio que formaba parte de la mezcla. [32] Este proceso de alimentación también consume oxígeno, que convierte el lactato de calcio originalmente soluble en agua en piedra caliza insoluble. Esta piedra caliza luego se solidifica en la superficie sobre la que se encuentra, que en este caso es el área agrietada, sellando así la grieta. [32]
El oxígeno es uno de los principales elementos que provocan la corrosión en materiales como los metales. Cuando se utiliza biocemento en estructuras de hormigón reforzado con acero, los microorganismos consumen el oxígeno aumentando así la resistencia a la corrosión. Esta propiedad también permite la resistencia al agua, ya que induce la curación y reduce la corrosión general. [32] Los agregados de hormigón a base de agua son los que se utilizan para prevenir la corrosión y también tienen la capacidad de reciclarse. [32] Existen diferentes métodos para formar estos, como por ejemplo mediante trituración o molienda del biocemento. [27]
La permeabilidad del biocemento también es mayor en comparación con el cemento normal. [26] Esto se debe a la mayor porosidad del biocemento. Una mayor porosidad puede provocar una mayor propagación de grietas cuando se expone a fuerzas lo suficientemente fuertes. El biocemento ahora está compuesto aproximadamente en un 20% por un agente autocurativo. Esto disminuye su resistencia mecánica. [26] [28] La resistencia mecánica del biohormigón es aproximadamente un 25% más débil que el hormigón normal, lo que hace que su resistencia a la compresión sea menor. [28] Los organismos como Pesudomonas aeruginosa son eficaces para crear biocemento. No es seguro que estén cerca de los humanos, por lo que deben evitarse. [33]
El biocemento se utiliza actualmente en aplicaciones como aceras y pavimentos de edificios. [34] También existen ideas de construcciones de edificios biológicas. Los usos del biocemento aún no están muy extendidos porque actualmente no existe un método viable para producir biocemento en masa en una medida tan alta. [35] También hay que realizar pruebas mucho más definitivas para utilizar con confianza el biocemento en aplicaciones a gran escala en las que no se puede comprometer la resistencia mecánica. El coste del biocemento también es el doble del del hormigón normal. [36] Sin embargo, otros usos en aplicaciones más pequeñas incluyen barras rociadoras, mangueras, líneas de caída y nidos de abejas. El biocemento todavía está en sus etapas de desarrollo, pero su potencial resulta prometedor para sus usos futuros.
Los compuestos de micelio son materiales que se basan en el micelio , la masa de hifas ramificadas y filiformes producidas por hongos . Existen varias formas de sintetizar y fabricar compuestos de micelio, lo que permite obtener diferentes propiedades y casos de uso del producto final. Los compuestos de micelio son económicos y sostenibles .
Los compuestos a base de micelio se sintetizan generalmente utilizando diferentes tipos de hongos , especialmente setas . [38] Un microbio individual de hongos se introduce en diferentes tipos de sustancias orgánicas para formar un compuesto. [39] La selección de especies de hongos es importante para crear un producto con propiedades específicas. Algunas de las especies de hongos que se utilizan para hacer compuestos son G. lucidum, Ganoderma sp. P. ostretus, Pleurotus sp., T. versicolor, Trametes sp ., etc. [40] Se forma una red densa cuando el micelio del microbio de los hongos se degrada y coloniza la sustancia orgánica. Los desechos vegetales son un sustrato orgánico común que se utiliza en compuestos a base de micelio. El micelio de los hongos se incuba con un producto de desecho vegetal para producir alternativas sostenibles principalmente para materiales a base de petróleo . [40] [3] El micelio y el sustrato orgánico necesitan tiempo para incubarse adecuadamente y este tiempo es crucial ya que es el período en el que estas partículas interactúan entre sí y se unen para formar una red densa y, por lo tanto, forman un compuesto. Durante este período de incubación, el micelio utiliza nutrientes esenciales como carbono, minerales y agua del producto vegetal de desecho. [39] Algunos de los componentes del sustrato orgánico incluyen algodón, granos de trigo, cáscaras de arroz, fibras de sorgo, desechos agrícolas, aserrín, partículas de pan, cáscara de plátano, residuos de café, etc. [40] Los compuestos se sintetizan y fabrican utilizando diferentes técnicas, como agregar carbohidratos, alterar las condiciones de fermentación, usar diferentes tecnologías de fabricación, alterar las etapas de posprocesamiento y modificar la genética o los bioquímicos para formar productos con ciertas propiedades. [38] La fabricación de la mayoría de los compuestos de micelio se realiza mediante moldes de plástico, por lo que el micelio se puede cultivar directamente en la forma deseada. [39] [40] Otros métodos de fabricación incluyen moldes de piel laminada, moldes de piel al vacío, moldes de vidrio, moldes de madera contrachapada, moldes de madera, moldes de placa de Petri, moldes de baldosas, etc. [40] Durante el proceso de fabricación, es esencial tener un entorno esterilizado, una condición ambiental controlada de luz, temperatura (25-35 °C) y humedad alrededor del 60-65% para obtener los mejores resultados. [39] Una forma de sintetizar un compuesto a base de micelio es mezclando diferentes proporciones de composición de fibras, agua y micelio juntas y colocando en moldes de PVC en capas mientras se comprime cada capa y se deja incubar durante un par de días. [41] Los compuestos a base de micelio se pueden procesar en espuma, laminado y lámina de micelio utilizando técnicas de procesamiento como corte posterior, compresión en frío y calor, etc.[39] [40] Los compuestos de micelio tienden a absorber agua cuando son recién fabricados, por lo tanto, esta propiedad se puede cambiar secando el producto. [40]
Una de las ventajas de utilizar compuestos basados en micelio es que las propiedades se pueden alterar dependiendo del proceso de fabricación y el uso de diferentes hongos. Las propiedades dependen del tipo de hongo utilizado y de dónde se cultivan. [40] Además, los hongos tienen la capacidad de degradar el componente de celulosa de la planta para hacer compuestos de una manera preferible. [3] Algunas propiedades mecánicas importantes como la resistencia a la compresión, la morfología, la resistencia a la tracción, la hidrofobicidad y la resistencia a la flexión también se pueden modificar para diferentes usos del compuesto. [40] Para aumentar la resistencia a la tracción, el compuesto puede pasar por prensado térmico. [38] Las propiedades de un compuesto de micelio se ven afectadas por su sustrato; por ejemplo, un compuesto de micelio hecho de 75% en peso de cáscaras de arroz tiene una densidad de 193 kg/m3 , mientras que 75% en peso de granos de trigo tiene 359 kg/m3 . [ 3] Otro método para aumentar la densidad del compuesto sería eliminando un gen de hidrofobina. [40] Estos compuestos también tienen la capacidad de autofusionarse, lo que aumenta su resistencia. [40] Los compuestos a base de micelio suelen ser compactos, porosos, ligeros y un buen aislante. La principal propiedad de estos compuestos es que son completamente naturales, por lo tanto sostenibles. Otra ventaja de los compuestos a base de micelio es que esta sustancia actúa como aislante, es ignífuga, no tóxica, resistente al agua, de rápido crecimiento y capaz de unirse con productos de micelio vecinos. [42] Las espumas a base de micelio (MBF) y los componentes sándwich son dos tipos comunes de compuestos. [3] Las MBF son el tipo más eficiente debido a su propiedad de baja densidad, alta calidad y sostenibilidad. [37] La densidad de las MBF se puede reducir utilizando sustratos que tengan un diámetro inferior a 2 mm. [37] Estos compuestos también tienen una mayor conductividad térmica. [37]
Uno de los usos más comunes de los compuestos a base de micelio es como alternativa a los materiales a base de petróleo y poliestireno . [40] Estas espumas sintéticas se utilizan habitualmente para productos de diseño y arquitectura sostenibles. El uso de compuestos a base de micelio se basa en sus propiedades. Existen varias empresas biosostenibles
Más allá del uso de materiales de construcción vivos, la aplicación de la precipitación de carbonato de calcio inducida por microbios (MICP) tiene la posibilidad de ayudar a eliminar contaminantes de las aguas residuales, el suelo y el aire. Actualmente, los metales pesados y los radionúcleos representan un desafío para eliminar de las fuentes de agua y el suelo. Los radionúcleos en el agua subterránea no responden a los métodos tradicionales de bombeo y tratamiento del agua, y para los metales pesados que contaminan el suelo, los métodos de eliminación incluyen la fitorremediación y la lixiviación química; sin embargo, estos tratamientos son costosos, carecen de longevidad en efectividad y pueden destruir la productividad del suelo para usos futuros. [43] Al usar bacterias ureolíticas que son capaces de precipitar CaCO3 , los contaminantes pueden moverse hacia la estructura de cal-be, eliminándolos así del suelo o el agua. Esto funciona a través de la sustitución de iones de calcio por contaminantes que luego forman partículas sólidas y pueden eliminarse. [43] Se informa que el 95% de estas partículas sólidas se pueden eliminar mediante el uso de bacterias ureolíticas. [43] Sin embargo, cuando se producen incrustaciones de calcio en las tuberías, no se puede utilizar MICP, ya que está basado en calcio. En lugar de calcio, es posible agregar una baja concentración de urea para eliminar hasta el 90% de los iones de calcio. [43]
Otra aplicación adicional implica una base autoconstruida que se forma en respuesta a la presión mediante el uso de bacterias de ingeniería. Las bacterias diseñadas podrían usarse para detectar un aumento de presión en el suelo y luego cementar las partículas del suelo en su lugar, solidificándolo de manera efectiva. [1] Dentro del suelo, la presión de poro consta de dos factores: la cantidad de estrés aplicado y la rapidez con la que el agua en el suelo puede drenar. Al analizar el comportamiento biológico de las bacterias en respuesta a una carga y el comportamiento mecánico del suelo, se puede crear un modelo computacional. [1] Con este modelo, se pueden identificar y modificar ciertos genes dentro de las bacterias para que respondan de cierta manera a una cierta presión. Sin embargo, las bacterias analizadas en este estudio se cultivaron en un laboratorio altamente controlado, por lo que los entornos de suelo reales pueden no ser tan ideales. [1] Esta es una limitación del modelo y del estudio del que se originó, pero sigue siendo una posible aplicación de materiales de construcción vivos.