I ricercatori del Worcester Polytechnic Institute (WPI) stanno utilizzando un enzima presente nei globuli rossi per creare calcestruzzo autorigenerante quattro volte più resistente del calcestruzzo tradizionale, prolungando la vita delle strutture in calcestruzzo ed eliminando la necessità di costose riparazioni o sostituzioni. Il lavoro, pubblicato sulla rivista peer-reviewed Materiali applicati oggi , utilizza un enzima che reagisce automaticamente con l'anidride carbonica atmosferica (CO ₂ ) per creare cristalli di carbonato di calcio, che imitano il cemento nella struttura, forza, e altre proprietà, e può riempire le crepe prima che causino problemi strutturali.

"L'uso globale del calcestruzzo è onnipresente, " disse Nima Rahbar, professore associato di Ingegneria Civile e Ambientale e autore principale del paper. Il calcestruzzo è il materiale da costruzione artificiale più utilizzato al mondo:è un componente fondamentale in tutto, dai ponti ai grattacieli, case famiglia, marciapiedi, e garage. Ma il calcestruzzo è fragile e soggetto a crepe a causa dell'esposizione all'acqua, sbalzi termici, fatica, sale stradale, difetti di progettazione, e altri fattori che possono portare a una perdita di integrità strutturale e alla necessità di costose riparazioni o sostituzioni.

"Se piccole crepe potessero essere riparate automaticamente al primo avvio, non si trasformeranno in problemi più grandi che necessitano di riparazione o sostituzione. Sembra fantascienza, ma è una vera soluzione a un problema significativo nel settore delle costruzioni".

Ispirato al processo di CO ₂ trasferimento in natura, la ricerca di Rahbar, che in precedenza ha ricevuto finanziamenti dal Massachusetts Clean Energy Center (MassCEC), utilizza anidrasi carbonica (CA), un enzima presente nei globuli rossi che trasferisce rapidamente CO ₂ dalle cellule al flusso sanguigno. L'enzima CA, che viene aggiunto alla polvere di cemento prima di essere miscelato e versato, agisce come un catalizzatore che provoca CO . atmosferica ₂ per creare cristalli di carbonato di calcio, la cui matrice è simile a quella del calcestruzzo. Quando si forma una piccola crepa nel calcestruzzo enzimatico, l'enzima all'interno del calcestruzzo si lega alla CO ₂ nell'aria, innescando la crescita di una nuova matrice che riempie la fessura.

"Abbiamo guardato alla natura per trovare ciò che fa scattare la CO . più veloce ₂ trasferimento, e questo è l'enzima CA, " disse Rabar, che da cinque anni si occupa di cemento autoriparante. "Dal momento che gli enzimi nel nostro corpo reagiscono in modo sorprendentemente rapido, possono essere usati come un meccanismo efficiente per riparare e rafforzare le strutture in calcestruzzo."

Il processo, che Rahbar ha brevettato, può guarire crepe millimetriche entro 24 ore.

Il documento di ricerca, dal titolo "Un materiale cementizio autorigenerante enzimatico, " è stato pubblicato in Materiali applicati oggi , una rivista peer-reviewed focalizzata sulle applicazioni all'avanguardia di nuovi materiali. Co-autori sono Suzanne Scarlata, professore di Chimica e Biochimica; Jessica Rosewitz, ex dottorato di ricerca studente e ora docente a contratto di Ingegneria; e dottorato di ricerca studente Shuai Wang.

Il team ha sviluppato un triplice approccio che include un mix concreto che, quando viene utilizzato per costruire una struttura, riparerà autonomamente le piccole crepe che si formano; una miscela che può indurre l'auto-guarigione in crepe o buchi più grandi; e un processo che può essere applicato al calcestruzzo tradizionale per riparare le crepe.

Per riparare una crepa o un buco più grande, Rahbar ha detto calcio e CO ₂ può essere applicato per stimolare la guarigione autonoma. La stessa miscela può essere utilizzata, ma con un processo di applicazione diverso, per avviare la guarigione in calcestruzzo tradizionale già impostato.

"La guarigione del calcestruzzo tradizionale già in uso è estremamente vantaggioso, pure, e contribuirà a ridurre la necessità di produrre e spedire calcestruzzo aggiuntivo, che ha un enorme impatto ambientale, " disse Rabar.

Il calcestruzzo contribuisce in modo significativo alla CO ₂ emissioni, gas serra che contribuiscono al cambiamento climatico. Secondo un rapporto del 2018 della Chatham House, un istituto di politica con sede a Londra, ogni anno vengono prodotti più di 4 miliardi di tonnellate di cemento, rappresenta circa l'8% della CO . globale ₂ emissioni. Allungarne la vita potrebbe ridurre la CO . dannosa per l'ambiente ₂ emissioni in tutto il mondo.

I ricercatori hanno cercato a lungo di sviluppare processi per stimolare il calcestruzzo a guarire se stesso e impedire che piccole crepe si trasformino in crepe o fori più grandi per aiutare il materiale a mantenere la sua forza, tenuta all'acqua, e durata. Rahbar prevede che il calcestruzzo autorigenerante potrebbe prolungare la vita di una struttura da 20 anni, Per esempio, a 80 anni.

Altre ricerche sulla creazione di calcestruzzo autorigenerante si sono concentrate sull'aggiunta di microbi e Bacillus megaterium, un batterio sporigeno che produce un enzima che viene espulso nella miscela di calcestruzzo. Rahbar ha scelto di usare gli enzimi direttamente invece dei batteri, notando che i batteri sono più costosi e lavorano più lentamente, impiegando fino a un mese per guarire una fessura di 10 micron che gli enzimi possono guarire in 24 ore, e ci sono preoccupazioni per potenziali problemi di salute a lungo termine legati al loro uso.