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芯片让科学家实时研究生物水泥的形成

来自EPFL和洛桑大学的科学家们使用了一种最初为环境科学设计的芯片来研究生物水泥形成的特性。这种材料有可能在某些土木工程应用中取代传统的水泥粘合剂。

芯片有信用卡大小,表面刻有一条一米长、粗如头发丝的流道。研究人员可以将溶液注入通道的一端,并在延时显微镜的帮助下观察溶液在几个小时内的行为。医学科学家已经将类似的芯片用于医疗保健应用,例如检查动脉如何堵塞或药物如何扩散到血液中,而环境工程师则将它们应用于研究饮用水中的生物膜和污染物。

现在,EPFL土壤力学实验室(LMS)的一组土木工程师与洛桑大学(UNIL)地球科学与环境学院的科学家们一起,重新调整了芯片的用途,以了解土壤中涉及的复杂传输反应现象新型生物水泥的形成。

AriadniElmaloglou,博士学生与她来自EPFL土壤力学实验室(LMS)的论文导师之一DimitriosTerzis一起,将生物水泥溶液注入类似于不同类型沙子的微流控芯片中,以观察矿物质的形成和流动的反应。除了沙子类型外,其他主要生物水泥成分——钙和尿素——保持不变。

“多亏了芯片,我们能够观察到不同混合物中生物水泥质量分布的变化,”Elmaloglou说。“例如,我们可以看到矿物是在哪里形成的,以及哪些混合物可以在长流道中产生卓越的机械性能。由于其体积微型化,该芯片使我们能够对不同的混合物进行多次实验,以设计有效的生物胶结方案”

米长测试

工程师们的发现刚刚发表在《科学报告》上。他们的研究是第一项实时检查一米长度范围内生物水泥形成的研究,这对于裂缝修复、碳储存和土壤修复等许多潜在应用都很重要。所有数据都以开源格式提供,以鼓励对该主题的进一步研究。

与此同时,LMS的工程师们已经开始了下一步的研究。Terzis说:“该芯片使我们可以轻松地测试由回收材料(如玻璃、塑料或碎混凝土)而非沙子制成的生物水泥。”这些生物水泥可以帮助减轻建筑业的碳足迹,甚至彻底改变该行业。

“该行业仍然严重依赖混凝土,尽管用于制造它的成分——尤其是沙子——越来越难采购。我们的研究表明,跨学科方法可以大大改变这种状况。但我们需要对其他研究领域的方法持开放态度。”

在EPFL发明新型生物水泥

对于他的博士学位。在LMS的论文中,DimitriosTerzis开发了一种由细菌和尿素制成的新型生物水泥。该过程涉及使用碳酸钙(CaCO3)晶体将土壤颗粒粘合在一起,而不是使用水泥熟料。与现有的粘合剂(包括水泥、石灰和工业树脂)相比,其结果是一种生物基、易于使用、耐用且成本相当低的材料。尤其是树脂,从长远来看会变得相对不稳定,会用微塑料或有毒化合物污染土壤,还会将地下水碱度提高到超出可接受限度的水平。

EPFL开发的生物水泥可以在环境温度下以低廉的成本在现场生产,只需要少量的电力。操作员可以根据自己的具体需要调整生物胶结水平。如果仅添加少量的CaCO3,操作员就能获得类似砂岩的效果,这种效果足以承受地震引起的剪切应力,这种剪切应力会导致土壤液化。

其他应用程序可以帮助解决斜坡稳定性问题或修复现有地基。如果添加更多的CaCO3生物矿物,则得到的混合物可用作建筑材料或防水土壤。

为了将他们的技术推向市场,Terzis和LyesseLaloui教授于2018年创立了EPFL初创公司MeduSoil。该公司已经在瑞士和国外进行了实地示范。

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