Los secretos para consolidar la sostenibilidad de nuestra infraestructura futura pueden provenir de la naturaleza, como las proteínas que evitan que las plantas y los animales se congelen en condiciones extremadamente frías. Los investigadores de CU Boulder han descubierto que una molécula sintética basada en proteínas anticongelantes naturales minimiza el daño por congelación-descongelacióny aumenta la resistencia y durabilidad del concreto, mejorando la longevidad de la nueva infraestructura y disminuyendo las emisiones de carbono durante su vida útil.
Descubrieron que agregar una molécula biomimética, una que imita los compuestos anticongelantes que se encuentran en los organismos árticos y antárticos, al concreto efectivamente previene el crecimiento de cristales de hielo y el daño posterior. Este nuevo método, publicado hoy en Cell Reports Ciencia física , desafía más de 70 años de enfoques convencionales para mitigar el daño por heladas en la infraestructura de concreto.
"Nadie piensa en el concreto como material de alta tecnología", dijo Wil Srubar III, autor del nuevo estudio y profesor asistente de ingeniería civil, ambiental y arquitectónica. "Pero es mucho más de alta tecnología de lo que uno podría pensarFrente al cambio climático, es fundamental prestar atención no solo a cómo fabricamos concreto y otros materiales de construcción que emiten una gran cantidad de dióxido de carbono en su producción, sino también a cómo aseguramos la resistencia a largo plazo de esos materiales."
El concreto se forma al mezclar agua, cemento en polvo y varios agregados, como arena o grava.
Desde la década de 1930, se han colocado pequeñas burbujas de aire en el concreto para protegerlo del agua y el daño de los cristales de hielo. Esto permite que el agua que se filtra en el concreto tenga espacio para expandirse cuando se congela. Sin ella, la superficie del concreto dañadose desprenderá
Pero este proceso meticuloso puede tener un costo, disminuyendo la resistencia y aumentando la permeabilidad. Esto permite que las sales de la carretera y otros productos químicos se filtren en el concreto, lo que puede degradar el acero incrustado en el interior.
"Mientras estás resolviendo un problema, en realidad estás exacerbando otro problema", dijo Srubar.
A medida que EE. UU. Enfrenta una cantidad significativa de infraestructura obsoleta en todo el país, se gastan miles de millones de dólares cada año para mitigar y prevenir daños. Sin embargo, esta nueva molécula biomimética podría reducir drásticamente los costos.
En las pruebas, se demostró que el concreto hecho con esta molécula, en lugar de burbujas de aire, tenía un rendimiento equivalente, mayor resistencia, menor permeabilidad y una vida útil más larga.
Con una patente pendiente, Srubar espera que este nuevo método ingrese al mercado comercial en los próximos 5 a 10 años.
La naturaleza encuentra un camino
Desde las aguas de la Antártida bajo cero hasta las tundras heladas del Ártico, muchas plantas, peces, insectos y bacterias contienen proteínas que evitan que se congelen. Estas proteínas anticongelantes se unen a la superficie de los cristales de hielo en un organismo.momento en que se forman, manteniéndolos muy, muy pequeños, y sin poder hacer ningún daño.
"Pensamos que era bastante inteligente", dijo Srubar. "La naturaleza ya había encontrado una manera de resolver este problema".
El concreto sufre el mismo problema de formación de cristales de hielo, que los ingenieros anteriores habían tratado de mitigar agregando burbujas de aire. Entonces Srubar y su equipo pensaron: ¿Por qué no reunir un montón de esta proteína y ponerla en el concreto?
Desafortunadamente, a estas proteínas que se encuentran en la naturaleza no les gusta ser eliminadas de sus entornos naturales. Se deshacen o se desintegran, como los espaguetis cocidos.
El concreto también es extremadamente básico, con un pH comúnmente superior a 12 o 12.5. Este no es un ambiente amigable para la mayoría de las moléculas, y estas proteínas no fueron la excepción.
Entonces, Srubar y sus estudiantes de posgrado usaron una molécula sintética, el alcohol polivinílico o PVA, que se comporta exactamente como estas proteínas anticongelantes, pero es mucho más estable a un pH alto, y la combinó con otra molécula robusta y no tóxica.- polietilenglicol: se utiliza a menudo en la industria farmacéutica para prolongar el tiempo de circulación de los medicamentos en el cuerpo. Esta combinación molecular de dos polímeros se mantuvo estable a un pH alto e inhibió el crecimiento de los cristales de hielo.
aumento de estresores
Después del agua, el concreto es el segundo material más consumido en la Tierra: cada año se fabrican dos toneladas por persona. Esa es una nueva ciudad de Nueva York que se construye cada 35 días durante al menos los próximos 32 años, según Srubar.
"Su fabricación, uso y eliminación tienen consecuencias ambientales significativas. La producción de cemento solo, el polvo que usamos para fabricar concreto, es responsable de aproximadamente el 8 por ciento de nuestras emisiones globales de CO2".
Para cumplir con los objetivos del Acuerdo de París y mantener el aumento de la temperatura global muy por debajo de los 3.6 grados Fahrenheit, la industria de la construcción debe reducir las emisiones en un 40 por ciento para 2030 y eliminarlas por completo para 2050. El cambio climático en sí mismo solo exacerbará los factores estresantes en la infraestructura de hormigón y envejecida, con el aumento de las temperaturas extremas y los ciclos de congelación y descongelación que ocurren con mayor frecuencia en algunas ubicaciones geográficas.
"La infraestructura que está diseñada hoy enfrentará diferentes condiciones climáticas en el futuro. En las próximas décadas, los materiales serán probados de una manera que nunca antes han sido", dijo Srubar. "Así que el concreto que hacemosnecesita durar "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Colorado en Boulder . Original escrito por Kelsey Simpkins. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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