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未来的城市建筑可以用骨头和蛋壳制成吗
2020/2/18 10:44:55    来源:51房产网

随着世界努力应对气候变化,我们迫切需要找到减少二氧化碳排放量的方法。通常认为,严重依赖化石燃料的行业,例如能源和航空业,是罪魁祸首。

随着世界努力应对气候变化,我们迫切需要找到减少二氧化碳排放量的方法。通常认为,严重依赖化石燃料的行业,例如能源和航空业,是罪魁祸首。

未来的城市建筑可以用骨头和蛋壳制成吗

但是大多数人没有意识到的是,还有另一个罪魁祸首,躲在视线中。在我们城市的街道上以及我们生活和工作的建筑物中。

仅在2007年,钢铁和混凝土的二氧化碳排放量就超过了整个全球航空业。在到达施工现场之前,钢铁和水泥都必须在非常高的温度下进行处理-这会消耗大量能量。那么当这些“脏”材料在建筑中起着至关重要的作用时,我们如何减少对它们的依赖呢?

一种选择是使用天然材料,例如木材。人类使用木材建造建筑物已有数千年的历史,而木制结构目前正在复苏,这部分是因为它是一种廉价且可持续的材料。

但是用木头建造有一些缺点;该材料在潮湿条件下会翘曲,并且容易受到诸如白蚁等害虫的攻击。尽管从环境的角度来看,木材等天然材料具有吸引力,但对于可能希望将部件制造成特定形状或尺寸的工程师而言,它们可能并不令人满意。

复制生活

那么,如果不是制作天然材料而是使用受自然启发的新材料呢?随着纳米技术和纳米加工方法的发展,这一想法在1970年代开始在研究界引起关注,并在1990年代真正爆发。如今,它已成为科学研究新领域的基础:“仿生生物” –字面上是“复制生命”。

生物细胞通常被称为“生命的组成部分”,因为它们是生物的最小单位。

但是,要创建像您或我这样的多细胞生物,细胞必须与支持结构聚集成在一起,以形成我们制成的生物材料,例如骨骼,软骨和肌肉等组织。像这样的材料,对仿生技术感兴趣的科学家已经从中寻求灵感。

为了制造仿生材料,我们需要对天然材料的工作原理有深刻的了解。我们知道,天然材料也是“复合材料”:它们由多种不同的基础材料制成,每种材料具有不同的特性。

复合材料通常比诸如金属的单组分材料轻,同时仍具有所需的性质,例如刚度,强度和韧性。

制作仿生材料

材料工程师花费了数十年的时间来测量诸如骨头和蛋壳之类的天然材料的成分,结构和性能,因此我们现在对它们的特性有了很好的了解。

例如,我们知道骨骼由水合蛋白质和矿物质组成,比例几乎相等。矿物赋予硬度和硬度,而蛋白质赋予韧性和抗断裂性。

尽管骨头会折断,但它相对稀少,并且具有自我修复的好处-工程师试图将其引入仿生材料的另一个功能。

蛋壳像骨头一样,是一种复合材料,但它是约95%的矿物质和只有5%的水合蛋白质。然而,考虑到它的薄薄程度,即使是少量的蛋白质也足以使蛋壳变得非常坚硬-正如大多数早餐厨师会注意到的那样。下一个挑战是将这些知识变成扎实的东西。

有两种模拟天然材料的方法。您可以模仿材料本身的组成,也可以复制材料的制造过程。由于天然材料是由生物制成的,因此这两种方法都不会涉及高温。因此,仿生材料(我们称其为“新骨”和“新蛋壳”)比钢或混凝土消耗的能源要少得多。

在实验室中,我们成功地制作了厘米级的新骨样品。为此,我们准备了具有骨骼矿物质成分的蛋白质不同溶液。然后在人体温度下以仿生方式从这些溶液中沉积复合新骨材料。没有理由不将该过程或其改进,更快的版本扩展到工业水平。

当然,钢和混凝土无处不在,因此针对这些材料优化了我们设计和建造建筑物的方式。要开始大规模使用仿生材料,我们需要完全重新考虑建筑材料的建筑规范和标准。但是,如果我们想以可持续的方式建设未来的城市,也许正是需要进行重大的重新思考。科学还处于起步阶段,但这并不意味着我们不能对未来抱有很大的梦想。



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关键词: 建筑