GLI SCIENZIATI CREANO IL CALCESTRUZZO VIVENTE

Fonte: https://www.nytimes.com/2020/01/15/science/construction-concrete-bacteria-photosynthesis.html?fbclid=IwAR0m7LZK76O_mhR4VKSNcXm2SIb4A4L9Y4vZWs8CDLWbhBEoAyx0o85V48I

«Un materiale alla Frankenstein»

...brulicante di microbi fotosintetici e, alla fine, prodotto proprio da loro. Ed è in grado di riprodursi.

Wil Srubar (a sinistra), ingegnere civile all'Università del Colorado a Boulder, e Sarah Williams, studentessa di ingegneria dei materiali, mostrano mattoni di un materiale da costruzione ottenuto da cianobatteri e altri componenti.

Da secoli i costruttori producono il calcestruzzo pressoché allo stesso modo: mescolano materiali duri come la sabbia con leganti diversi e sperano che resti saldo e rigido a lungo.

Un gruppo interdisciplinare di ricercatori dell'Università del Colorado a Boulder ha ora creato un calcestruzzo di tutt'altro genere: vivo e persino capace di riprodursi.

Nel nuovo materiale i minerali non si depositano per via chimica, ma grazie ai cianobatteri, un gruppo diffuso di microbi che ricava energia dalla fotosintesi. Il processo fotosintetico assorbe anidride carbonica, al contrario della produzione del calcestruzzo tradizionale, che libera enormi quantità di gas serra.

I batteri fotosintetici danno al calcestruzzo anche un'altra caratteristica insolita: il colore verde. «Sembra davvero un materiale alla Frankenstein», ha detto Wil Srubar, ingegnere civile e responsabile del progetto di ricerca. (Quando il materiale si asciuga, il verde sbiadisce.)

Altri ricercatori si sono già occupati di integrare la biologia nel calcestruzzo, soprattutto in quello capace di richiudere da solo le proprie fessure. Secondo gli autori, il vantaggio principale del nuovo materiale è che, invece di aggiungere batteri al calcestruzzo tradizionale, cioè a un ambiente ostile, il loro procedimento parte direttamente dai batteri: fare in modo che siano loro a formare il calcestruzzo e mantenerli in vita per un impiego successivo.

Il nuovo calcestruzzo vivente

...descritto sulla rivista Matter, «rappresenta una classe nuova e stimolante di materiali da costruzione progettati e a basse emissioni di carbonio», ha dichiarato Andrea Hamilton, esperta di calcestruzzo alla Strathclyde University, in Scozia.

Per realizzare il calcestruzzo vivente, i ricercatori hanno dapprima provato a inserire i cianobatteri in una miscela di acqua calda, sabbia e nutrienti. I microbi hanno assorbito volentieri la luce e hanno cominciato a produrre carbonato di calcio, che a poco a poco legava i granelli di sabbia. Il processo era però lento, e Darpa, il ramo di ricerca sperimentale del Dipartimento della Difesa e finanziatore del progetto, voleva che la costruzione avvenisse molto rapidamente. Necessità e caso fortunato hanno così dato vita all'invenzione.

Un arco realizzato con materiali da costruzione viventi nel laboratorio del dottor Srubar

Il dottor Srubar aveva già lavorato con la gelatina, un ingrediente alimentare che, sciolto in acqua e poi raffreddato, forma legami particolari tra le proprie molecole. Un aspetto decisivo: si può impiegare a temperature moderate, innocue per i batteri. Ha proposto di aggiungere la gelatina per irrobustire la matrice formata dai cianobatteri, e l'idea ha convinto il gruppo.

I ricercatori hanno comprato al supermercato del posto della gelatina della marca Knox e l'hanno sciolta nella soluzione con i batteri. Versata la miscela negli stampi e raffreddata in frigorifero, la gelatina ha formato i suoi legami. «Esattamente come quando si prepara il Jell-O», ha detto il dottor Srubar. La gelatina ha dato una struttura più solida e ha collaborato con i batteri, aiutando il calcestruzzo vivente a crescere più forte e più in fretta.

Nel giro di circa un giorno la miscela ha formato blocchi di calcestruzzo della forma di qualsiasi stampo utilizzato dal gruppo: cubi di due pollici, blocchi grandi come una scatola da scarpe e elementi di copertura con nervature e intagli. I singoli cubi di due pollici erano abbastanza resistenti da sostenere il peso di una persona, anche se il materiale è più debole del calcestruzzo tradizionale. I blocchi grandi come una scatola da scarpe hanno dimostrato il potenziale per un impiego edilizio reale.

I primi esperimenti

«Quando abbiamo realizzato per la prima volta una struttura grande con questo sistema, non sapevamo se avrebbe funzionato; da quella dimensione piccola siamo passati a questo mattone grande», ha raccontato Chelsea Heveran, all'epoca postdoc nel gruppo, oggi ingegnere alla Montana State University e prima autrice dello studio. «L'abbiamo estratto dallo stampo e tenuto in mano. Era bellissimo, di un verde brillante, e sul fianco c'era scritta la parola “Darpa”.» (Lo stampo riportava il nome del finanziatore del progetto.) «Era la prima volta che raggiungevamo la scala che avevamo immaginato, ed è stato davvero emozionante.»

Quando il gruppo ha portato piccoli campioni a un incontro periodico con i rappresentanti di Darpa, sono rimasti colpiti, ha detto il dottor Srubar: «Tutti ne volevano uno da tenere sulla scrivania.»

Conservati in aria relativamente secca a temperatura ambiente, i blocchi raggiungono la resistenza massima nell'arco di qualche giorno e i batteri cominciano via via a morire. Ma anche dopo diverse settimane i blocchi restano vivi: se esposti di nuovo a calore e umidità elevati, molte cellule batteriche si rigenerano da sole.

Il gruppo può prendere un blocco, tagliarlo con una punta diamantata, rimettere una metà nella vasca calda con nuova materia prima, versarla in uno stampo e ricominciare a formare calcestruzzo. Ogni blocco può così dare tre nuove generazioni, per un totale di otto discendenti.

Il Dipartimento della Difesa è interessato a sfruttare la capacità riproduttiva di questi «LBM», cioè materiali da costruzione viventi, per sostenere le costruzioni in zone remote o aride. «Non si ha certo voglia di trasportare grandi quantità di materiale nel deserto», ha detto il dottor Srubar.

Il vantaggio dei blocchi sta

...nel fatto che sono fatti di materiali diversi e facilmente reperibili. La maggior parte del calcestruzzo richiede sabbia vergine di fiumi, laghi e oceani, che scarseggia in tutto il mondo, soprattutto per l'enorme domanda di calcestruzzo. Il nuovo materiale vivente è meno esigente. «Non siamo vincolati all'uso di un tipo preciso di sabbia», ha detto il dottor Srubar. «Potremmo usare anche materiali di scarto, come vetro macinato o calcestruzzo riciclato.»

Il gruppo di ricerca sta lavorando per rendere il materiale più pratico: ne aumenta la resistenza, rende i batteri più tolleranti all'essiccamento, riorganizza i materiali in modo che si possano immagazzinare in piano e montare con semplicità come una lastra di cartongesso, e cerca un altro tipo di cianobatteri che non richieda l'aggiunta di gelatina.

Il dottor Srubar ha spiegato che gli strumenti della biologia sintetica potrebbero ampliare molto le possibilità: per esempio materiali da costruzione capaci di rilevare sostanze chimiche tossiche e di reagire, oppure che si illuminano per segnalare un danno alla struttura. Il calcestruzzo vivente potrebbe essere utile in ambienti più ostili dei deserti più aridi, per esempio su altri pianeti come Marte.

«Non esiste un modo per trasportare materiali da costruzione nello spazio», ha dichiarato il dott. Srubar. «Ci portiamo dietro la biologia».