I segreti per cementare la sostenibilità della nostra futura infrastruttura potrebbero venire dalla natura, come le proteine ​​che impediscono il congelamento di piante e animali in condizioni di freddo estremo. I ricercatori di CU Boulder hanno scoperto che una molecola sintetica a base di proteine ​​antigelo naturali riduce al minimo i danni da gelo e disgelo e aumenta la resistenza e la durata del calcestruzzo, migliorare la longevità delle nuove infrastrutture e diminuire le emissioni di carbonio nel corso della loro vita.

Hanno scoperto che l'aggiunta di una molecola biomimetica, una che imita i composti antigelo presenti negli organismi artici e antartici, previene efficacemente la crescita dei cristalli di ghiaccio e il conseguente danno. Questo nuovo metodo, pubblicato oggi in Cell Report Scienze fisiche , sfida più di 70 anni di approcci convenzionali nella mitigazione dei danni da gelo nelle infrastrutture in calcestruzzo.

"Nessuno pensa al cemento come a un materiale high-tech, " disse Wil Srubar III, autore del nuovo studio e assistente professore di diritto civile, ingegneria ambientale e architettonica. "Ma è molto più high-tech di quanto si possa pensare. Di fronte al cambiamento climatico, è fondamentale prestare attenzione non solo a come produciamo calcestruzzo e altri materiali da costruzione che emettono molta anidride carbonica nella loro produzione, ma anche come garantiamo la resilienza a lungo termine di quei materiali."

Il calcestruzzo si forma mescolando acqua, polvere di cemento e inerti vari, come sabbia o ghiaia.

Dagli anni '30, piccole bolle d'aria sono state messe nel cemento per proteggerlo dai danni causati dall'acqua e dai cristalli di ghiaccio. Ciò consente all'acqua che penetra nel calcestruzzo di avere spazio per espandersi quando si congela. Senza esso, la superficie del calcestruzzo danneggiato si sfalderà.

Ma questo processo schizzinoso può avere un costo, diminuzione della forza e aumento della permeabilità. Ciò consente ai sali stradali e ad altri prodotti chimici di penetrare nel calcestruzzo, che può quindi degradare l'acciaio incorporato all'interno.

"Mentre stai risolvendo un problema, in realtà stai esacerbando un altro problema, " ha detto Srubar.

Poiché gli Stati Uniti devono affrontare una quantità significativa di infrastrutture obsolete in tutto il paese, miliardi di dollari vengono spesi ogni anno per mitigare e prevenire i danni. Questa nuova molecola biomimetica, però, potrebbe ridurre drasticamente i costi.

Nei test, calcestruzzo realizzato con questa molecola, invece di bolle d'aria, ha dimostrato di avere prestazioni equivalenti, maggiore forza, minore permeabilità e maggiore durata.

In attesa di brevetto, Srubar spera che questo nuovo metodo entrerà nel mercato commerciale nei prossimi 5-10 anni.

La natura trova un modo

Dalle acque sotto lo zero dell'Antartide alle gelide tundre dell'Artico, molte piante, pesce, insetti e batteri contengono proteine ​​che impediscono loro di congelarsi. Queste proteine ​​antigelo si legano alla superficie dei cristalli di ghiaccio in un organismo nel momento in cui si formano, mantenendoli davvero, davvero piccolo, e incapace di fare danni.

"Pensavamo che fosse abbastanza intelligente, " disse Srubar. "La natura aveva già trovato un modo per risolvere questo problema."

Il calcestruzzo soffre dello stesso problema della formazione di cristalli di ghiaccio, che i precedenti ingegneri avevano cercato di mitigare aggiungendo bolle d'aria. Così Srubar e il suo team hanno pensato:perché non raccogliere un po' di questa proteina, e metterlo in concreto?

Sfortunatamente, queste proteine ​​che si trovano in natura non amano essere rimosse dal loro ambiente naturale. Si disfano o si disintegrano, come spaghetti troppo cotti.

Anche il calcestruzzo è estremamente elementare, con un pH comunemente superiore a 12 o 12,5. Questo non è un ambiente amichevole per la maggior parte delle molecole, e queste proteine ​​non facevano eccezione.

Così Srubar e i suoi studenti hanno usato una molecola sintetica:alcol polivinilico, o PVA, che si comporta esattamente come queste proteine ​​antigelo ma è molto più stabile a un pH elevato, e combinato con un altro non tossico, molecola robusta - glicole polietilenico - spesso utilizzata nell'industria farmaceutica per prolungare il tempo di circolazione dei farmaci nel corpo. Questa combinazione molecolare di due polimeri è rimasta stabile a un pH elevato e ha inibito la crescita dei cristalli di ghiaccio.

Aumento dei fattori di stress

Dopo l'acqua, il cemento è il secondo materiale più consumato sulla Terra:ogni anno vengono prodotte due tonnellate a persona. È una nuova New York City in costruzione ogni 35 giorni per almeno i prossimi 32 anni, secondo Srubar.

"La sua fabbricazione, l'uso e lo smaltimento hanno conseguenze ambientali significative. La sola produzione di cemento, la polvere che usiamo per fare il cemento, è responsabile di circa l'8% della nostra CO . globale ₂ emissioni».

Al fine di raggiungere gli obiettivi dell'accordo di Parigi e mantenere l'aumento della temperatura globale ben al di sotto dei 3,6 gradi Fahrenheit, l'industria delle costruzioni deve ridurre le emissioni del 40% entro il 2030 ed eliminarle del tutto entro il 2050. Il cambiamento climatico in sé non farà altro che esacerbare i fattori di stress sul cemento e l'invecchiamento delle infrastrutture, con temperature estreme aumentate e cicli di gelo e disgelo che si verificano più spesso in alcune località geografiche.

"L'infrastruttura progettata oggi dovrà affrontare condizioni climatiche diverse in futuro. Nei prossimi decenni, i materiali saranno testati in un modo mai visto prima, " ha detto Srubar. "Quindi il cemento che facciamo deve durare."