Los secretos para cimentar 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-descongelación y aumenta la resistencia y durabilidad del hormigón. mejorar la longevidad de la nueva infraestructura y disminuir 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 previene eficazmente el crecimiento de cristales de hielo y el daño subsiguiente. Este nuevo método, publicado hoy en Informes celulares Ciencias físicas , desafía más de 70 años de enfoques convencionales para mitigar los daños causados ​​por las heladas en la infraestructura de hormigón.

"Nadie piensa en el hormigón como un material de alta tecnología, "dijo Wil Srubar III, autor del nuevo estudio y profesor asistente de civil, ingeniería ambiental y arquitectónica. "Pero es mucha más alta tecnología de lo que uno podría pensar. Frente al cambio climático, Es fundamental prestar atención no solo a cómo fabricamos el hormigón y otros materiales de construcción que emiten una gran cantidad de dióxido de carbono en su producción, sino también cómo aseguramos la resistencia a largo plazo de esos materiales ".

El hormigón se forma mezclando agua, polvo de cemento y diversos agregados, como arena o grava.

Desde la década de 1930, Se han colocado pequeñas burbujas de aire en el hormigón para protegerlo del agua y del daño de los cristales de hielo. Esto permite que cualquier agua que se filtre en el concreto tenga espacio para expandirse cuando se congele. Sin ello, la superficie del concreto dañado se desprenderá.

Pero este proceso meticuloso puede tener un costo, disminución de la resistencia y aumento de la permeabilidad. Esto permite que las sales de la carretera y otros productos químicos se filtren en el hormigón, que luego puede degradar el acero incrustado en su interior.

"Mientras resuelves un problema, en realidad estás agravando otro problema, "dijo Srubar.

Dado que EE. UU. Enfrenta una cantidad significativa de infraestructura obsoleta en todo el país, Cada año se gastan miles de millones de dólares para mitigar y prevenir daños. Esta nueva molécula biomimética, sin embargo, podría reducir drásticamente los costos.

En pruebas, El concreto hecho con esta molécula, en lugar de burbujas de aire, demostró tener un desempeño equivalente, mayor fuerza, 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 bajo cero de la Antártida hasta las gélidas tundras del Ártico, Algunas plantas, pez, los insectos y las bacterias contienen proteínas que evitan que se congelen. Estas proteínas anticongelantes se unen a la superficie de los cristales de hielo en un organismo en el momento en que se forman, manteniéndolos realmente, realmente pequeño, e incapaz de hacer ningún daño.

"Pensamos que era bastante inteligente, ", dijo Srubar." La naturaleza ya había encontrado una manera de resolver este problema ".

El hormigón sufre el mismo problema de formación de cristales de hielo, que los ingenieros anteriores habían intentado mitigar añadiendo burbujas de aire. Entonces Srubar y su equipo pensaron:¿Por qué no recolectar un montón de esta proteína, y ponerlo en concreto?

Desafortunadamente, a estas proteínas que se encuentran en la naturaleza no les gusta que las eliminen de sus entornos naturales. Se deshacen o se desintegran, como espaguetis recocidos.

El hormigón también es extremadamente básico, con un pH comúnmente superior a 12 o 12,5. Este no es un entorno amigable para la mayoría de las moléculas, y estas proteínas no fueron una excepción.

Entonces, Srubar y sus estudiantes graduados usaron una molécula sintética:alcohol polivinílico, o PVA:que se comporta exactamente como estas proteínas anticongelantes pero es mucho más estable a un pH alto, y lo combiné con otro no tóxico, Molécula robusta, polietilenglicol, que 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 permaneció estable a un pH alto e inhibió el crecimiento de cristales de hielo.

Incremento de factores estresantes

Después del agua, el hormigón es el segundo material más consumido en la Tierra:se fabrican dos toneladas por persona cada año. 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, el uso y la eliminación tienen consecuencias medioambientales importantes. La producción de cemento solo, el polvo que usamos para hacer hormigón, es responsable de alrededor del 8 por ciento de nuestro CO global ₂ emisiones ".

Para cumplir con los objetivos del Acuerdo de París y mantener el aumento de la temperatura global muy por debajo de 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 solo exacerbará los factores de estrés en el hormigón y la infraestructura 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 se diseña hoy enfrentará diferentes condiciones climáticas en el futuro. En las próximas décadas, los materiales se probarán de una manera que nunca antes se había hecho, ", dijo Srubar." Así que el concreto que hacemos debe durar ".