新的仿生分子帮助混凝土抵抗冻害

   化学小能手        



一种以天然蛋白质为灵感的添加剂,可以制造出更耐用的建筑材料


总所周知,每天的温度波动会使水冻结和膨胀,然后融化和收缩。由于混凝土是多孔的和吸收液体,这些变化往往使其表面剥落。但是研究人员说,一个新的过程可以帮助防止这种恶化。


科罗拉多大学博尔德分校的材料科学家和建筑工程师威尔·斯鲁巴(Wil Srubar)说:“我们过去抵抗这种冻融破坏的主要方法是使用20世纪30年代开发的一种技术,即在混凝土中注入微小的气泡。”这些柔性气泡吸收了一些压力,但也降低了混凝土的强度,使其吸收更多的水,并且需要进行精细的分配过程。


斯鲁巴的实验室把目光投向了自然界,特别是“防冻剂”蛋白质,这种蛋白质能让一些鱼和细菌忍受严寒的温度。在细胞中,这些分子附着在冰晶的表面,防止它们长得太大,但它们在高碱性水泥浆料中不起作用,而水泥浆料是混凝土的关键成分。因此,研究人员尝试了一种具有类似性质的更坚硬的物质:一种名为PEG-PVA的聚合物,它目前被用于缓释药片中。


为了测试它,研究小组混合了几批混凝土,其中一批带有气泡,还有几批掺有不同浓度的PEG-PVA添加剂。经过300个连续的冻融循环后,对照样品的质量直线下降,而其他样品保持了其完整性。这项研究发表在6月份的《细胞报告物理科学》上。


英国诺森布里亚大学(Northumbria University)的土木工程师维基•埃德蒙森(Vikki Edmondson)表示,这项新工作很重要,但还需要在实验室之外进行调查。她说:“例如,如果我们看看桥梁的设计寿命,这将如何帮助保护关键的基础设施?“埃德蒙森想知道这种添加剂在现实世界中是如何发挥作用的,例如混凝土必须承受振动,并能承受污染物的暴露。


法国国家科学研究中心研究主任罗兰德·佩伦克(Roland Pellenq)说:“任何使水泥更耐用的方法显然都是进步。”他也没有参与这项新研究。 由于冻融破坏对基础设施构成了威胁,因此其他研究人员也在探索解决方案。佩伦克说,他自己的研究小组为此试验了一种防水的黑碳添加剂。


斯鲁巴已经申请了一项临时专利,并希望在五年内将PEG-PVA工艺推向市场。与此同时,他继续寻找模拟抗冻蛋白行为的分子。他说:“我实验室里的每个人都相信,大自然已经为我们解决了所有的问题。我们只要知道去哪里找就行了。”


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